CAPITOLUL 3 MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

Transcript

1 CAPITOLUL 3 MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE 3.1 Polarizarea dielectricilor Materialele dielectrice numite şi electroizolante sunt caracterizate de o rezistivitate electrică deosebit de mare cuprinsă între şi Ωmm 2 /m. Ele servesc pe de o parte la izolarea electrică între elementele conductoare de curent electric, care se găsesc la potenţiale electrice diferite, cât şi a elementelor conductoare faţă de masa de referinţă şi împământare, iar pe de altă parte, ca dielectric în condensatoarele electrice. Materialele electroizolante sunt cele mai numeroase materiale electrotehnice, numărul lor fiind în continuă creştere, pentru a corespunde cât mai bine din punct de vedere electric, mecanic, chimic, termic şi totodată să aibă cost de producţie redus şi fiabilitate ridicată. Materialele electroizolante fiind cele care îşi pierd mai repede proprietăţile (îmbătrânesc) în comparaţie cu materialele conductoare şi magnetice, determină de fapt durate de serviciu (de viaţă) a echipamentelor şi instalaţiilor în care sunt utilizate (maşini şi aparate electrice, transformatoare electrice, linii electrice de transport, distribuţie şi utilizare a energiei electrice etc.). Fig.3.1 Diagrama benzilor energetice Dielectricii se deosebesc de materialele conductoare prin existenşa unui număr extrem de mic de electroni liberi care pot să se orienteze într-un câmp electric; banda interzisă este atât de mare (ΔW D = 2 10 ev) încât în condiţii normale nu se observă conductivitate electrică, fig.3.1. Deoarece rezistivitatea electrică a materialelor electrizolante este foarte mare dar nu infinită (dacă ρ, σ = 0 şi dielectricul ar fi un izolant ideal), 157

2 materialul aflat în câmp electric este străbătut de un curent de conducţie extrem de mic, numit şi curent de scurgere. Prin introducerea unui material dielectric într-un câmp electric se constată că acestea se influenţează reciproc: - câmpul electric modifică proprietăţile electrice ale materialului. - materialul dielectric modifică geometria liniilor de câmp ale câmpului electric. Astfel, în materialele electroizolante situate în câmp electric, pe lângă fenomenul de conducţie (apariţia curentului de scurgere), apare şi un al doilea fenomen numit de polarizare. De altfel, aceste materiale se numesc dielectrici pentru că au capacitatea de a se polariza sub acţiunea câmpului electric E. Starea de polarizaţie electrică P caracterizează starea materiei prin existenţa momentului electric al unităţii de volum diferit de zero. Efectul materialului dielectric asupra câmpului electric de intensitate E, în care este plasat materialul respectiv, se poate pune în evidenţă urmărind ceea ce se întâmplă cu valoarea inducţiei electrice D a câmpului electric, mărime care se mai numeşte şi densitate de flux electric. Unităţile de măsură ale celor două mărimi electrice menţionate sunt prezentate mai jos, C, V D 2 E SI SI m m unde C = Coulomb, V = volt, m = metru. În cazul în care câmpul electric este aplicat în vid, legătura dintre inducţia electrică D şi intensitatea câmpului electric E este dată de relaţia: D E (3.1) 0 0 unde 0 este permitivitatea electrică a vidului şi reprezintă o mărime fizică care furnizează o măsură asupra abilităţii mediului (în acest caz vidul) de a permite trecerea câmpului electric prin el şi se măsoară în farad/metru: F 0 SI m şi are valoarea: ε 0 = (1/36π)10-9 sau 8, F/m. În cazul în care, în câmpul electric se introduce un material dielectric se constată că valoarea inducţiei electrice D creşte, iar această creştere este datorată chiar polarizării materialului dielectric respectiv. Legea care leagă aceste mărimi scrisă în complex simplificat este: D 0 E P sau D 0 E P (3.2) Polarizaţia electrică P a materialului dielectric este direct proporţională cu intensitatea câmpului electric E şi depinde de tipul materialului dielectric: P 0 e E (3.3) unde mărimea e se numeşte susceptivitate dielectrică şi reprezintă o măsură a dielectricului de a se polariza, sau, altfel spus, răspunsul dielectricului la 158

3 aplicarea asupra sa a unui câmp electric. Din relaţiile de mai sus, se constată că inducţia electrică D a câmpului electric aplicat asupra unui material dielectric se poate determina cu relaţia: D 0 E 0 e E 0 1 e E (3.4) unde suma 1 e reprezintă prin definiţie permitivitatea electrică relativă a materialului dielectric, r 1 e (3.5) Permitivitatea electrică relativă furnizează informaţii despre creşterea inducţiei electrice a câmpului aplicat asupra unui material dielectric, raportat la cazul în care acesta se aplica vidului, cu alte cuvinte dă o măsură a influenţei materialului dielectric asupra câmpului electric: Dr D0 (3.6) Un fenomen caracteristic materialelor dielectrice constă în apariţia, în structura lor, a dipolilor electici. Dipolul electric este prezentat în fig.3.2 şi este compus dintr-o pereche de sarcini electrice de valoare Q inseparabile, de valori egale, dar de semn opus, aflate la o anumită distanţă d. Dipolii electrici pot fi de două tipuri: dipoli electrici induşi, respectiv dipoli electrici permanenţi. Oricare dipol electric este caracterizat printr-un moment electric elementar p, care se mai numeşte şi momentul dipolului. Fig.3.2 Dipol electric Momentul dipolului este un vector orientat de la sarcina negativă către cea pozitivă, iar relaţia de definire a acestuia este următoarea: p Q d (3.7) unde Q reprezintă sarcina electrică a dipolului electric. Astfel, se deosebesc două tipuri de dielectrici: nepolari şi polari, fenomenul de polarizare manifestându-se în funcţie de tipul dielectricului. Dielectricii nepolari în lipsa câmpului electric sunt neutri din punct de vedere electric. În prezenţa unui câmp electric exterior E nucleul şi electronii suferă mici deplasări, astfel încât atomul se comportă ca fiind format din două sarcini egale şi de semn contrar +q şi q; acest ansamblu formează un dipol, un dipol indus, fig.3.3. De asemenea, fenomenul este caracteristic şi materialelor cu structură ionică. Astfel, în fig.3.4a se prezintă trei ioni succesivi de pe o linie reticulară 159

4 NaCl, în cazul în care nu se aplică un câmp electric. În absenţa câmpului electric, cei trei ioni sunt plasaţi la distanţe egale. Fiecare pereche de ioni formează câte un dipol carecterizat de către un moment electric elementar p 1, respectiv p 2. Fig.3.3 Polarizarea dielectricilor nepolari a atom în absenţa şi b în prezenţa câmpului electric, polarizare de deplasare electronică Datorită distanţei egale la care se află ionii respectivi, vectorii p 1 şi p 2 sunt egali şi de sens opus şi din acest motiv, momentul electric elementar rezultant va fi nul: p p p (3.8) Fig.3.4 Polarizare de deplasare ionică În cazul în care materialul dielectric este introdus într-un câmp electric, forţele de natură electrostatică vor deplasa ionii cu o distanţă d 1 faţă de poziţiile iniţiale, ca în fig.3.4b, astfel încât distanţele dintre cele două perechi de ioni se 160

5 vor modifica, iar momentele electrice elementare ale dipolilor formaţi nu vor mai fi egale în modul şi în consecinţă, momentul electric elementar rezultant va fi nenul: p p1 p2 0 (3.9) După aplicarea câmpului electric, fenomenul se instalează rapid şi durează atât timp cât se menţine câmpul electric, după îndepărtarea acestuia cei 3 ioni revenind în poziţiile iniţiale. Orientarea dipolilor la aplicarea câmpului electric este rapidă (dar mai lentă decât în cazul polarizării electronice), fenomenul fiind prezent până la frecvenţe de ordinul miilor de megahertzi. Toate materialele polarizate ionic prezintă şi fenomenul de polarizare electronică, dar de intensitate de cel puţin de două ori mai mică. Fenomenul de formare a dipolilor se numeşte polarizarea dielectricului. Dipolul produce un câmp electric propriu E p, având sens contrar câmpului aplicat E. La încetarea câmpului electric E încetează şi polarizarea. Dielectricii polari sunt dielectrici ai căror atomi formează dipoli şi în absenţa câmpului electric E, dipoli permanenţi, care sunt dispuşi dezordonat în material, astfel încât câmpul electric rezultant al dielectricului este nul. Sub influenţa câmpului electric E dipolii tind să se rotească, astfel încît axele lor să coincidă cu direcţia câmpului exterior. În concluzie, sub influenţa câmpului electric E exterior, fenomenul de polarizare constă în formarea de dipoli în cazul materialelor nepolare sau în rotirea dipolilor la materialele polare. Când dipolii sunt aliniati după direcţia lui E, se spune că materialul este polarizat, ca în fig.3.5. Fig.3.5 Dielectric polarizat Pentru materialul dielectric, starea de polarizare electrică P, ce reprezintă densitatea volumetrică a momentelor electrice elementare p, se exprimă cantitativ prin relaţia: P N p, (3.10) dipoli 161

6 unde N dipoli reprezintă densitatea volumetrică a dipolilor formaţi în structura materialului, iar p reprezintă momentul electric elementar. Ca urmare a fenomenului de polarizare apare şi un curent electric, numit curent de polarizare. La aplicarea unui câmp electric continuu, în dielectric apar curenţi de conducţie şi de polarizare; curenţii de polarizare dispar într-un interval de timp foarte scurt ( τ ε = s, timp în care se formează şi respectiv se orientează dipolii). La aplicarea unui câmp electric alternativ curenţii de conducţie şi de polarizare se menţin pe toată durata aplicării câmpului. Curenţii de conducţie şi de polarizare produc pierderi de energie care încălzesc materialul şi determină îmbătrânirea materialul. 3.2 Tipuri de polarizări Prin stare de polarizare electrică se înţelege starea materiei caracterizată prin momentul electric al unităţii de volum diferit de zero. Se spune că un material este polarizat electric dacă produce câmp electric sau dacă introdus într-un câmp electric interacţionează cu acesta. Starea de polarizare electrică poate fi de două feluri: 1 - temporară, ce depinde de intensitatea locală a câmpului electric în care este situat dielectricul şi se menţine numai pe durata aplicării sursei de polarizare (câmpul electric); 2 - permanentă, dacă nu depinde de intensitatea locală a câmpului electric, dar o dată instalată, starea de polarizare a materialului dielectric se menţine indiferent dacă materialul se află sau nu în câmp electric. 1. Polarizarea temporară poate fi: - polarizare de deplasare (electronică sau ionică); - polarizare de orientare dipolară. 1a. Polarizarea de deplasare electronică reprezintă deplasarea limitată şi elastică, sub acţiunea câmpului electric, a învelişurilor electronice ale atomilor dielectricului, fig.3.3. Acest mecanism de polarizare este o proprietate universală a materiei, fiind uneori denumit şi polarizare optică datorită faptului că intervine în propagarea prin dielectric a câmpurilor electromagnetice de frecvenţe foarte ridicate situate în domeniul infraroşu, vizibil sau ultraviolet. În general, materialele care prezintă numai polarizare de deplasare electronică sunt denumite materiale nepolare. 1b. Polarizarea de deplasare ionică (atomică) reprezintă deplasarea limitată şi elastică, sub acţiunea câmpului electric, a ionilor dielectricului, fig.3.4. Acest mecanism de polarizare este specific dielectricilor cu legături preponderent ionice. 1c. Polarizarea de orientare dipolară reprezintă orientarea pe direcţia câmpului electric aplicat a momentelor electrice existente în material, momente 162

7 care, în absenţa câmpului, sunt distribuite aleatoriu sub influenţa energiei termice. Polarizarea de orientare dipolară este tipică materialelor ale căror molecule prezintă moment electric propriu (molecule polare), materialele fiind denumite materiale polare. Un exemplu tipic îl constituie orientarea haotică a moleculelor de apă H 2 O în absenţa câmpului electric fig.3.6a şi în consecinţă şi cea a momentelor electrice elementare, motiv pentru care vectorul polarizaţie este nul, iar materialul este nepolarizat. În prezenţa câmpului electric, moleculele de apă se orientează fig.3.6b, astfel încât, datorită orientării momentelor electrice elementare pe direcţia câmpului, vectorul polarizaţie devine nenul şi în consecinţă materialul dielectric devine polarizat. Orientarea dipolilor la aplicarea unui câmp electric este lentă, fenomenul fiind prezent până la frecvenţe de ordinul sutelor de kilohertzi şi este totodată influenţat de temperatură. Polarizarea temporară specifică materialelor cu momente spontane se numeşte polarizare de orientare. a. b. Fig.3.6 Polarizare de orientare Pentru dielectricii a căror structură conţine defecte pot apărea, sub acţiunea câmpului electric aplicat, deplasări limitate dar neelastice ale ionilor sau/şi polaronilor, cu localizarea acestora pe defecte ale structurii, pe pereţi intergranulari etc. Astfel de mecanisme de polarizare, denumite uneori, polarizări structurale, interfaciale polaronice etc., sunt în general nedorite deoarece măresc dependenţa performanţelor dielectrice de frecvenţa câmpului şi de temperatura ambiantă. 2. Polarizarea permanentă poate fi: - spontană (piroelectrică); - piezoelectrică. 2a. Polarizarea spontană reprezintă ordonarea dielectrică care apare pe domenii de temperatură în structuri necentrosimetrice cu axă polară în absenţa câmpului electric exterior, din condiţii de minimizare a energiei libere a structurii. Deoarece energia liberă este dependentă puternic de temperatură, starea de polarizaţie spontană depinde de asemenea de temperatură, motiv pentru care acest mecanism de polarizare este denumit polarizare piroelectrică. 163

8 Deoarece materialele, la care acest fenomen este prezent, se comportă în câmp electric ca şi fierul în câmp magnetic, aceste materiale se mai numesc şi materiale feroelectrice. Orientarea momentelor electrice ale unităţilor polarizabile este aceeaşi în diferite volume macroscopice (domenii) ale materialului, astfel încât, fiecare domeniu este caracterizat de către un vector de polarizaţie nenul P k, orientat independent faţă de cei specifici celorlalte domenii polarizate, aşa cum este prezentat şi în fig.3.7a. Datorită orientării haotice a acestor vectori, vectorul polarizaţie rezultant pentru întregul material este nul. P Pk 0 (3.11) k Prin introducerea materialului feroelectric într-un câmp electric, vectorii polarizaţie P k ai domeniilor se vor orienta pe direcţia câmpului electric aplicat, iar vectorul polarizaţie rezultant va fi în acest caz nenul fig.3.7b. P Pk 0 (3.12) k a câmp electric nul b câmp electric nenul Fig.3.7 Polarizare spontană Fenomenul de polarizare piroelectrică permanent este lent, duce la încălzirea materialului şi rămâne şi după eliminarea câmpului electric. Din categoria dielectricilor cu polarizare spontană utilizări practice au cristalele feroelectrice (cristale dielectrice cu polarizare spontană a cărei direcţie sau sens poate fi schimbată prin acţiunea unui câmp electric exterior). 2b. Polarizarea piezoelectrică reprezintă polarizarea care apare în structurile necentrosimetrice sub acţiunea tensiunilor mecanice aplicate structurii. Cristalele care prezintă polarizare sub acţiunea tensiunilor mecanice (efect piezoelectric direct) posedă de asemenea şi proprietatea de deformare a structurii cristaline sub acţiunea câmpului electric exterior (efect piezoelectric invers). Fenomenul piezoelectric direct este specific materialelor dielectrice care în structura lor nu au centru de simetrie fig.3.8. Pentru acest tip de materiale, în absenţa unei forţe externe, centrul sarcinii pozitive coincide cu centrul sarcinii negative şi în consecinţă, momentul electric 164

9 elementar al dipolului astfel format este zero; distanţa d dintre sarcina pozitivă şi cea negativă, care formează dipolul, fiind 0 relația (3.7). Prin aplicarea unei forţe externe, centrul sarcinii electrice pozitive devine diferit de centrul sarcinii electrice negative şi astfel, deoarece distanţa d dintre sarcina pozitivă şi cea negativă, care formează dipolul, nu mai este nulă, momentul electric elementar al acestuia devine nenul şi deoarece vectorii momentelor electrice elementare sunt proiectaţi după direcţia forţei externe aplicate, în material se instalează starea de polarizare. a. b. Fig.3.8 Fenomenul piezolelectric direct Efectul piezoelectric direct este prezentat în fig.3.9a, în care se consideră un material dielectric izolat, asupra căruia nu se aplică nici un câmp electric sau forţă mecanică. În acest caz, în materialul dielectric nu există feneomene de polarizare. Prin aplicarea unei forţe mecanice asupra materialului, fig.3.9b, acesta se polarizează (vectorul polarizaţie devine nenul) şi în consecinţă, se remarcă apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa materialului respectiv. a. b. Fig.3.9 Efectul piezoelectric direct Relaţia dintre vectorul polarizaţie P i, indus pe direcţia i, prin aplicarea unei forţe mecanice F j, aplicate pe direcţia j, este următoarea: Pi df ij j, (3.13) unde d ij este coeficientul piezoelectric, specific materialului dielectric. Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric direct sunt utilizate pentru realizarea unor dispozitive, numite traductoarelor piezoelectrice, care realizează conversia dintr-o mărime mecanică în una electrică. De exemplu, 165

10 pe baza acestor materiale dielectrice se pot realiza dispozitive care detectează vibraţiile mecanice şi le transformă în mărimi electrice, astfel de dispozitive fiind utile, de exemplu, în realizarea microfoanelor. Efectul piezoelectric invers este prezentat în fig Prin aplicarea unui câmp electric asupra unui material dielectric, acesta poate să comprime materialul, fig.3.10a sau să-l extindă, fig.3.10b. Relaţia dintre forţa mecanică F i de deformare a materialului dielectric, indusă pe direcţia i, prin aplicarea unui câmp electric E j, aplicat pe direcţia j, este următoarea: F d E, (3.14) i ij j unde d ij este coeficientul piezoelectric, specific materialului dielectric. a. b. Fig.3.10 Efectul piezoelectric invers Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric invers sunt utilizate pentru realizarea unor dispozitive care realizează conversia dintr-o mărime electrică în una nelectrică. De exemplu, dacă asupra unui cristal de quartz, prevăzut cu electrozi, se aplică o tensiune sinusoidală, acesta va genera vibraţii mecanice. Stări de polarizaţie cvasipermanente (denumite polarizări de tip electret) pot fi create în anumite tipuri de dielectrici prin tratament termic în câmp electric (termoelectret), iluminare în prezenţa câmpului electric (fotoelectret), iradiere cu radiaţii β (pseudoelectret). Obs. De menţionat că într-un dielectric îşi manifestă prezenţa în majoritatea cazurilor nu numai unul, ci mai multe dintre mecanismele de polarizare. 3.3 Funcţiile dielectricilor Funcţia de dielectric pentru condensatoare Dacă unui condensator cu dielectric aer (vid), fig.3.11, i se aplică o tensiune continuă U, armăturile condensatorului se încarcă cu sarcini egale şi de sens contrar +Q şi Q, iar dacă condensatorului i se aplică o tensiune alternativă, semnul sarcinilor pe armături se inversează în permanenţă, funcţie de frecvenţă. Sarcina Q este proporţională cu tensiunea U aplicată conform relaţiei: 166

11 Q C0U, (3.15) unde C 0 este factor de proporţionalitate şi poartă numele de capacitate electrică a condensatorului în vid şi se măsoară în farazi [F]. Capacitatea condensatorului este cu atât mai mare, cu cât suprafaţa S a armăturilor este mai mare şi cu cât distanţa d dintre armături este mai mică, conform relaţiei: C0 0 S / d (3.16) şi unde: 0 este permitivitatea electrică a vidului. Fig.3.11 Condensator cu dielectric vid Se înţelege că, capacitatea depinde şi de natura dielectricului care există între cele două armături fig Mărimea care caracterizează dielectricul din acest punct de vedere se numeşte constantă dielectrică sau permitivitate absolută. Fig.3.12 Condensator cu material dielectric între armături Permitivitatea absolută este dată de relaţia: 0 r, (3.17) iar expresia capacităţii va fi: C S / d 0 rs / d rc0 (3.18) De unde rezultă permitivitatea relativă a dielectricului r ce reprezintă raportul dintre capacitatea condensatorului C având între armături dielectricul considerat şi capacitatea aceluiaşi condensator având ca dielectric vidul C 0 : C/ C (3.19) r 0 167

12 De asemenea, permitivitatea relativă a unui mediu arată de câte ori forţa de interacţiune dintre două corpuri încărcate electric este mai mare în vid decât în mediul respectiv: F0 q1q 2 q1q 2 r / (3.20) 2 2 F 4 0r 4 r 0 Permitivitatea relativă r are valoarea 1 pentru vid, se consideră 1 pentru toţi dielectricii gazoşi şi poate ajunge la valori până la pentru compuşi ai bariului. Interacţiunea unui dielectric izotrop (din punct de vedere al unor proprietăţi, dacă are o astfel de structură încât valorile locale ale mărimilor care caracterizează acele proprietăţi nu variază cu direcţia la care se referă) cu câmpul electric este caracterizată în domeniul liniar de permitivitatea complexă relativă: r j D / 0 E, (3.21) unde D şi E sunt reprezentarea în complex simplificat a inducţiei câmpului electric şi a intensităţii câmpui electric. Un material dielectric cu permitivitatea complexă relativă se introduce între armăturile unui condensator ce are capacitatea C 0 în vid, fig În aproximaţia că liniile câmpului electric se închid în întregime prin material (efectele de margine sunt neglijabile), admitanţa la bornele condensatorului are expresia: Y G jc Y jc jc j C j C (3.22) Fig.3.13 Schema echivalentă şi diagrama vectorială pentru un condensator cu material dielectric între armături Deci condensatorul cu material dielectric între armături este echivalent unui condensator fără pierderi având capacitatea de ori mai mare: Cech C (3.23) 0 168

13 şi unei rezistenţe de pierderi în paralel de valoare: 1 1 R ech (3.24) G C0 Din relaţíile de echivalare şi schema condensatorului echivalent observă că: -, partea reală a permitivităţii complexe relative, caracterizează dielectricul din punctul de vedere al capacităţii sale de a polariza, reprezintă permitivitatea electrică elastică şi arată efectul de creştere a capacităţii electrice iar -, partea imaginară, caracterizează dielectricul din punct de vedere al pierderilor de energie în material, reprezintă permitivitatea electrică vâscoasă şi arată efectul de încălzire a dielectricului datorită fenomenelor de polarizare lente. Principala funcţie pe care dielectricul o îndeplineşte prin introducerea sa între armăturile condensatorului constă deci, indiferent de mecanismul său de polarizare (se numesc dielectrici pentru că au capacitatea de a se polariza sub acţiunea câmpului electric), în creşterea de ori a capacităţii condensatorului la aceleaşi dimensiuni geometrice. Proprietatea este larg utilizată atât în tehnica condensatoarelor discrete, cât şi în cea a circuitelor integrate hibride. Prin introducerea dielectricului în câmp electric, o parte din energia câmpului se disipă în material transformându-se în majoritatea cazurilor în căldură. Energia disipată în unitatea de timp sub influenţa şi pe seama câmpului electric, constituie pierderile în dielectric. În cazul în care dielectricul este supus unei tensiuni continue, pierderile de energie în dielectric se datoresc numai curentului de conducţie, care fiind foarte mic şi pierderile corespunzătoare sunt mici (materialele dielectrice conţin o concentraţie redusă de purtători de sarcină electrică mobili şi deci au o conductivitate electrică nenulă). În cazul tensiunii alternative, aceste pierderi (determinate de curentul de conducţie şi de polarizare) sunt mult mai mari şi, transformându-se în căldură, îmbătrânesc materialul sau în cazul cel mai rău îl distrug. Procesul de urmărire întârziată a polarizaţiei la variaţii rapide ale câmpului electric exterior poartă numele de postefect. Astfel, dacă se consideră o variaţie bruscă a câmpului electric, valoarea polarizaţiei temporare corespunzătoare câmpului electric aplicat va fi atinsa după un interval de timp Δt. La o variaţie sinusoidală a câmpului electric: E t E sin 0 t, (3.25) polarizaţia temporară se modifică de asemenea sinusoidal, cu un defazaj în urmă, datorită postefectului: se 169

14 P t sin 0 e E0 t (3.26) Întrucât este o mărime complexă, la frecvenţe înalte, în e conformitate cu relaţia (3.2), vectorii D şi E nu mai sunt coliniari, iar dependenţa polarizaţiei de intensitatea câmpului electric nu mai este liniară, având forma unei elipse cu vârfuri ascuţite. Variaţia componentelor permitivităţii relative complexe cu pulsaţia câmpului electric este prezentată în fig Fig.3.14 Variaţia componentelor permitivităţii relative complexe cu pulsaţia După cum se observă, permitivitatea electrică elastică scade pe măsură ce pulsaţia şi în consecinţă frecvenţa câmpului electric aplicat asupra dielectricului creşte. Deci şi în cazul materialelor dielectrice se poate determina o frecvenţă limită superioră până la care proprietatea de material r dielectric. există şi se manifestă în Fig.3.15 Permitivitatea relativă normată Astfel, aplicând asupra materialului o excitaţie variabilă în timp, în material se defineşte un r continuu, r de curent alternativ care, în funcţie de r de curent (0), va avea următoarea expresie analitică: 170

15 r. cc r. ca sau 1 j r. ca rn. r. cc (3.27) unde este constanta de timp de polarizare dielectrică. Reprezentarea grafică a modulului prmitivităţii relative este prezentată în fig Scăderea valorii modulului permitivităţii relative la valoarea: rn. 0,707 se obţine pentru 1, de unde: 1, (3.28) ce reprezintă pulsaţia limită la înaltă frecvenţă pentru pemitivitatea dielectrică relativă. Variaţia permitivităţii electrice vâscoase r, din fig.3.14, are un maxim pentru o anumită pulsaţie denumită pulsaţie critică, ceea ce indică faptul că, la această pulsaţie, materialul dielectric se încălzeşte cel mai puternic, prezentând pierderile cele mai mari. De asemenea, pierderile în dielectric reprezintă putere activă: Pa UI R UI cos (3.29) Dacă dielectricul condensatorului ar fi ideal (nestrăbătut de curenţi), curentul care se stabileşte în circuit între cele două armături, prin sursă, ar fi defazat înaintea tensiunii cu un unghi φ = π/2; ar rezulta cosφ = 0 şi P a = 0, la dielectricul ideal. Pentru dielectricul real curentul I este defazat faţă de tensiunea U cu un unghi φ < π/2. Complementul unghiului de defazaj se notează cu δ (δ = π/2 φ) şi se numeşte unghi de pierderi (fig.3.13). El este cu atât mai mare cu cât curentul care trece prin dielectric este mai mare. S-a stabilit că pierderile în dielectricii supuşi la tensiuni alternative sunt proporţionale cu tangenta acestui unghi. Se defineşte ca tangentă a unghiului de pierderi al materialului, raportul: P UI a R UU / Rech 1 1 tg, (3.30) P 1 r UIC UUCech CechRech C 0 C 0 unde P a şi P r sunt puterea activă şi reactivă la bornele condensatorului. Pentru diverşi dielectrici tgδ variază între 10-1 şi Un bun izolant trebuie să aibă tgδ cât mai mică. Astfel, permitivitatea relativă complexă, relaţia (3.21), se poate scrie şi sub forma: r 1 j 1 jtg (3.31) 171

16 Inversul tangentei unghiului de pierderi se numeşte factor de calitate al materialului dielectric: 1 Q CechRech (3.32) tg Ca şi la studiul proprietăţilor materialelor magnetice şi la materialele dielectrice se pun în evidenţă domenii de polarizare electrică spontană, în care dipolii electrici sunt orientaţi paralel. La aplicarea unui câmp electric, o parte din energia câmpului E este cheltuită cu orientarea tuturor vectorilor de polarizare în sensul câmpului aplicat, reprezentând pierderile în dielectrici ( r ). Va exista deci şi un histerezis dielectric cu diferite forme de variaţii D=f(E), prezentate în fig Polarizare de deplasare Polarizare de orientare Polarizare spontană electronică (de relaxare) Fig.3.16 Cicluri de histerezis dielectric Astfel, pierderile în dielectrici se clasifică în: - pierderi prin polarizare proporţionale cu suprafaţa ciclului de histerezis; - pierderi prin conducţie electrică ce se evidenţiază atunci când conductibilitatea materialului este şi ea ridicată; - pierderi prin ionizare ce se evidenţiază la dielectricii gazoşi sau care au incluziuni gazoase ce trebuie ionizate; - pierderi de neomogenitate structurală. Pe ciclurile de histerezis din fig.3.16, la fel ca la materialele magnetice, din cauza neliniarităţii, pentru caracterizarea materialului dielectric se folosesc mai multe moduri de definire a permitivităţii dielectrice (care depinde de compoziţia materialului, tratamentele termice, solicitările mecanice, intensitatea câmpului magnetic etc.), după cum urmează: - permitivitatea absolută ca fiind raportul: D 0 r, (3.33) E 172

17 unde 0 = (1/36π)10-9 F/m (sau 8, F/m) este permitivitatea absolută a vidului; - permitivitatea relativă statică: 1 D r. st (3.34) 0 E - permitivitatea relativă diferenţială: 1 D r. dif lim E0 (3.35) 0 E În funcţie de natura pierderilor se poate studia dependenţa permitivităţii de frecvenţă şi temperatură: = f(ω,t) pentru fiecare tip de polarizare. r Funcţia de izolaţie electrică Pierderile în dielectrici fiind în general reduse, valoarea rezistenţei echivalente R ech din fig.3.13 este mare, adică dielectricii îndeplinesc în foarte bune condiţii funcţia de izolaţie între piese conductoare de cele mai diverse tipuri. În acest scop, materialul trebuie să prezinte simultan cu valoarea ridicată a rezistenţei de izolaţie, o pemitivitate redusă, adică o valoare mică a capacităţii echivalente C ech din fig.3.13, pentru a evita cuplajul capacitiv între piesele izolate, în special pentru domeniul frecvenţelor înalte. În câmpuri electrice intense, dielectricul pierde proprietatea sa de izolaţie prin străpungere dielectrică. Valoarea intensităţii câmpului la care acest fenomen se produce poartă numele de rigiditate dielectrică Funcţii neliniare şi parametrice Pentru clasa cristalelor feroelectrice, permitivitatea reală relativă r r este dependentă de valoarea efectivă a câmpului electric alternativ şi de intensitatea câmpului electric continuu aplicate dispozitivului. În funcţie de valoarea tensiunii de comandă, permitivitatea reală a feroelectricului, adică capacitatea condensatorului neliniar va varia, modificând astfel curentul prin circuitul de sarcină. Pe acest principiu, cu modificări corespunzătoare ale schemelor se realizează: amplificatoare dielectrice, stabilizatoare dielectrice de curent şi de tensiune, modulatoare dielectrice pentru modulaţie de amplitudine sau de modulaţie de fază Funcţia de traductor piroelectric Variaţia cu temperatura a polarizaţiei spontane a cristalelor feroelectrice permite acestora îndeplinirea funcţiei de transformare a fluxului incident de 173

18 energie în energie electrică. Pe acest principiu se realizează traductoarele piroelectrice în infraroşu (banda μm), precum şi detectoarele în unde milimetrice şi submilimetrice Funcţia de traductor piezoelectric Cristalele cu polarizare piezoelectrică îndeplinesc în dispozitive atât funcţia de traductor piezoelectric direct, transformînd energia mecanică în energie electrică (micrefoane cu cristal, doze pick-up, generatoare de tensiune înaltă pentru aprindere etc.), cât şi funcţia de traductor piezoelectric invers, transformând energia electrică în energie mecanică (traductoare pentru curăţire cu ultrasunete, traductoare pentru sudură cu ultrasunete, antene emiţătoare de ultrasunete etc.). Efectul piezoelectric se află de asemenea la baza familiei de dispozitive funcţionale cu undă elastică de volum (rezonatoare, transformatoare ceramice, filtre) sau cu undă elastică de suprafaţă (filtre trece-bandă nedisipative, filtre optimale, codoare şi decodoare pentru semnale modulate în fază, linii de întârziere) Funcţia de traductor electrooptic Proprietăţile electrooptice ale cristalelor cu polarizare spontană (cristalele feroelectrice, cristalele lichide) permit acestora îndeplinirea funcţiei de modulare comandată electric a intensităţii unui fascicul luminos transmis sau reflectat de către dielectric. Pe baza acestei funcţii se realizează dispozitive de afişaj alfanumerice sau analogice şi memoriile optodielectrice de mare capacitate. Interacţiunea undelor luminoase şi a undelor elastice în interiorul sau la suprafaţa unui mediu dielectric permite realizarea funcţiei de deflexie comandată electric, a unui fascicul luminos, care se propagă prin dielectric Funcţia de electret Polarizaţia remanentă de lungă durată a electreţilor permite crearea unui câmp electrostatic în interstiţiul dielectric-armătură, câmp util în aparate ca: electrometre, dozimetre, filtre pentru gaze. Variaţia câmpului electrostatic prin varierea interstiţiului permite realizarea traductoarelor de vibraţii şi a microfoanelor cu electret. 3.4 Polarizarea de deplasare a dielectricilor (electronică şi ionică) Modelul teoretic al dielectricului cu polarizare de deplasare, fără pierderi prin conducţie Pentru calculul polarizabilităţii şi determinarea dependenţei temporare a acesteia în funcţie de forma câmpului exterior aplicat, în cazul dielectricilor cu 174

19 polarizare de deplasare se consideră următorul model de bază: sarcinile electrice sunt legate elastic în poziţiile de echilibru (electronii legaţi elastic de nucleu, ionii din nodurile reţelei cristaline legaţi elastic de ionii vecini). La aplicarea câmpului electric sarcinile se deplasează din poziţiile lor de echilibru, generând polarizarea de deplasare; la anularea câmpului ele revin în aceste poziţii prin mişcări oscilatorii amortizate. Dacă deplasările sarcinilor au loc pe direcţia axei Oz, ecuaţia de mişcare la anularea câmpului este de forma: 2 d z dz z 0, (3.36) dt dt unde: 2β este factorul de amortizare, ω 0 pulsaţia proprie de rezonanţă a particulei care se deplasează. Pentru cazul practic al amortizărilor foarte mici (β 2 2 << 0 ) soluţia ecuaţiei (3.36) este: t z z e cos( t ), (3.37) 1 unde: este constanta de timp de relaxare (timpul în care amplitudinea oscilaţiei scade la 1/e din valoarea maximă); z 0 amplitudinea oscilaţiei (constantă de integrare); 0 faza iniţială (constantă de integrare). Momentul electric elementar fiind proporţional cu deplasarea din poziţia de echilibru rezultă că la anularea câmpului, polarizabilitatea va varia în timp după o lege analogă relaţiei (3.34):. (3.38) t/ ( t) (0) e cos( 0t 0) Cunoscând dependenţa în timp a polarizabilităţii se poate determina dependenţa de frecvenţă a permitivităţii complexe (particularizând pentru cazul dielectricilor relaţiile fundamentale de răspuns ale unui sistem liniar la o excitaţie exterioară, cu respectarea principiului suprapunerii efectelor şi a principiului cauzalităţii şi unde α(0) este polarizabilitatea la momentul iniţial): jt dt, (3.39) 0 () t e unde este valoarea permitivităţii pentru o frecvenţă a câmpului ce tinde către infinit. Pentru pulsaţii ale câmpului mai mici decât pulsaţia de rezonanţă a particulei care se deplasează ( 0 ) din relaţia (3.39) rezultă: st (3.40) 0 175

20 unde s-a notat cu st valoarea permitivităţii reale la frecvenţe foarte joase. Din relaţiile (3.40), reprezentate grafic în fig.3.17, rezultă că la pulsaţii ale câmpului mai mici decât cele de rezonanţă proprie ale electronilor, dielectricii cu polarizare de deplasare au permitivităţi reale constante ( st ) şi pierderi prin polarizare nule ( 0). Fig.3.17 Dependenţa de frecvenţă a permitivităţii relative pentru dielectricii cu polarizare de deplasare, fără pierderi prin conducţie Pentru acest domeniu de frecvenţă (care atinge pentru dielectricii cu polarizare de deplasare electronică aproximativ GHz, iar pentru cei cu polarizare de deplasare ionică aproximativ 100 GHz) schema echivalentă a unui condensator cu dielectric ideal (fără pierderi prin conducţie) se reduce la o capacitate cu valoarea C st 0, fig.3.18, conform relaţiei: Y jc j j C j C j C jc (3.41) st 0 Fig.3.18 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric cu polarizare de deplasare, fără pierderi prin conducţie Pulsaţiile proprii de rezonanţă ale electronilor atomilor se află în spectrul vizibil ( 0 2π10 15 rad/s), iar ale ionilor în spectrul infraroşu ( 0 2π10 13 rad/s). Pentru pulsaţii de acelaşi ordin de mărime ale câmpurilor electrice 176

21 MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE aplicate ( 0 ) intervin fenomene de rezonanţă, dependenţa de frecvenţă a permitivităţii reale şi a pierderilor prin polarizare fiind tipice fenomenelor de rezonanţă. Pentru pulsaţii foarte mari ale câmpurilor electrice aplicate (mai mari decât pulsaţiile proprii de rezonanţă, 0 ) permitivitatea reală redevine constantă ( ) iar pierderile prin polarizare tind repede către zero ( 0), fig Pierderi prin conducţie în dielectrici (dielectrici reali) Dielectricii reali posedă o concentraţie de sarcini electrice libere foarte mică (electroni, goluri, ioni) care se pot deplasa sub acţiunea câmpului electric aplicat, dând naştere curentului de conducţie. În dielectricii gazoşi, conducţia electrică se datoreşte ionilor şi electronilor liberi care apar prin ionizare datorită factorilor externi (radiaţii ultraviolete, radioactive, Roentgen, cosmice, încălzirea puternică a dielectricului) sau prin ionizare prin ciocnirea de moleculele gazului a particulelor încărcate, accelerate de câmp. Dependenţa curent-tensiune în cazul dielectricilor gazoşi este prezentată în fig În dielectricii lichizi, conducţia electrică este strâns legată de structura moleculelor lichidelor. În lichidele cu polarizare de deplasare conducţia electrică depinde esenţial de existenţa impurităţilor disociate în lichid. În acest caz, purificarea dielectricului conduce la o creştere însemnată a rezistivităţii volumetrice. Creşterea temperaturii conduce la creşterea conductivităţii volumetrice atât prin creşterea gradului de disociere, cât mai ales prin creşterea mobilităţii purtătorilor de sarcină. Dependenţa conductivităţii volumetrice de temperatura absolută este de tip exponenţial: a T Ae, (3.42) unde a şi A sunt constante ce caracterizează dielectricul lichid. În dielectricii solizi, pentru câmpuri inferioare valorilor V/m, conducţia electrică este preponderent ionică şi se datoreşte în special defectelor de tip Frenkel sau Schottky (defecte punctuale) din structura dielectricului. Conductivitatea ionică depinde de temperatură tot după o lege exponenţială, de tipul: b B e T, (3.43) T unde B şi b sunt de asemenea constante de material foarte slab dependente de temperatură ca şi constantele A şi a din relaţia (3.42). Natura ionilor care produc conducţia electrică depinde de de tipul legăturii în dielectric. Pentru dielectricii cu legături preponderent covalente, conducţia este legată în primul rând de prezenţa ionilor impuritate. În acest caz, poate fi 177

22 obţinută o purificare electrică prin trecerea îndelungată a curentului prin dielectric. Pentru dielectricii solizi cu structură ionică, conducţia se datoreşte atât deplasării ionilor de impuritate (în special la temperaturi joase), cât şi ionilor principali ai reţelei aflaţi în defecte ale acesteia. Conducţia electronică (electroni şi goluri) în dielectricii solizi la câmpuri sub 10 6 V/m este în general neglijabilă datorită lărgimii mari a zonei interzise (ΔW D >5eV), ceea ce generează o cantitate mică de purtători de sarcină liberi. Pentru câmpuri electrice mai mari de 10 6 V/m, conducţia electronică devine importantă, producând ionizări prin ciocnire ale atomilor sau ionilor dielectricului (conducţia electrică devine neliniară, zona Poole din fig.3.20). La câmpuri peste 10 8 V/m aceste ionizări conduc la străpungerea dielectricului. Fig.3.19 Dependenţa curent-tensiune în cazul dielectricilor gazoşi Fig.3.20 Dependenţa curent-câmp electric în cazul dielectricilor solizi La suprafaţa dielectricilor solizi, conducţia electrică este condiţionată îndeosebi de prezenţa umidităţii. Din acest punct de vedere, dielectricii solizi pot fi împărţiţi în trei grupe: - dielectrici insolubili în apă, pentru care rezistivitatea superficială - R s are valori mari şi depinde foarte puţin de umiditatea mediului ambiant (micalex); - dielectrici parţial solubili în apă, pentru care rezistivitatea superficială - R s este scăzută şi depinde în mare măsură de umiditate (sticlă alcalină); - dielectrici cu structură poroasă care, datorită structurii lor au o mică rezistivitate în mediul umed (celuloid). Pentru toate tipurile de dielectrici solizi, îndepărtarea impurităţilor de pe suprafaţa dielectricului conduce la creşterea rezistivităţii superficiale R s. În cazul real al existenţei pierderilor prin conducţie electrică, dependenţa între permitivitatea complexă relativă şi conductivitate se obţine considerând un dielectric cu pierderi prin conducţie între armăturile de formă oarecare ale unui condensator. Pentru o sarcină Q înmagazinată pe armături sub diferenţa de potenţial U, forma liniilor de câmp electric şi de curent de conducţie vor coincide, fig.3.21: J E, (3.44) 178

23 unde J este vectorul densitate a curentului de conducţie. Notând cu I intensitatea curentului de conducţie şi definind o suprafaţă închisă Σ care intersectează totalitatea liniilor de câmp şi care conţine în interior sarcina înmagazinată pe armătura superioară, atunci raportul Q/I are expresia: Q DdA 0 st EdA 0 st. (3.45) I JdA EdA În alt mod, raportul Q/I se poate exprima prin: Q CU Crp, (3.46) I U / r p unde C stc0 reprezintă capacitatea condensatorului cu dielectric între armături iar r p rezistenţa de pierderi prin conducţie. Deci, ţinând seama de pierderile prin conducţie, condensatorul cu dielectric între armături are schema echivalentă din fig.3.22; constanta de timp a grupului condensator-rezistenţă rezultă din egalitatea relaţiilor (3.45) şi (3.46): 0 st p Crp de unde rezultă: r p p p (3.47) C stc0 Fig.3.21 Forma liniilor de câmp şi de curent Fig.3.22 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric cu polarizare de deplasare şi pierderi prin conducţie 179

24 Schema echivalentă din fig.3.22 este valabilă pentru dielectricii cu polarizare de deplasare la frecvenţe ale câmpului electric inferioare frecvenţei proprii de rezonanţă a particulelor care se deplasează Dependenţa de frecvenţă şi temperatură a permitivităţii complexe relative pentru dielectrici cu polarizare de deplasare Admitanţa de intrare a schemei din fig.3.22 are expresia: 1 1 Y j stc0 j st j C0 (3.48) r p rpc 0 Y jc j j C (3.49) 0 0 Prin identificarea relaţiei (3.48) cu relaţia (3.49) se obţin expresiile părţii reale şi imaginare a permitivităţii complexe relarive şi, cu ajutorul acestora, a tangentei unghiului de pierderi: st (3.50) rpc C C tg 0 0 st 0 st C stc0 0 st Relaţiile (3.50) sunt reprezentate grafic în fig.3.23, la temperatură constantă. Dacă temperatura este constantă şi conductivitatea, conform relaţiei (3.43), este tot o mărime constantă, iar dacă temperatura se modifică, tangenta unghiului de pierderi se va modifica la fel ca şi conductivitatea după o lege exponenţială, conform relaţiilor (3.43) şi (3.50). Fig.3.23 Dependenţa de frecvenţă la temperatură constantă a permitivităţii reale (a.) şi a tangentei unghiului de pierderi (b.), pentru dielectricii cu polarizare de deplasare şi pierderi prin conducţie 180

25 Dielectricii cu polarizare de deplasare au deci permitivitate reală constantă cu frecvenţa până la frecvenţele de rezonanţă proprie a electronilor sau ionilor reţelei şi pierderi dielectrice mici (pierderi prin conducţie) invers proporţionale cu frecvenţa câmpului electric. În ceea ce priveşte variaţia cu temperatura, în cazul dielectricilor cu polarizare de deplasare electronică permitivitatea reală scade uşor prin creşterea temperaturii deoarece, prin dilatare termică, scade numărul momentelor electrice elementare pe unitatea de volum, fig Coeficientul de temperatură al permitivităţii definit ca: 1 d (5.51) dt este deci negativ ( < 0) şi foarte mic în valoare absolută. În cazul dielectricilor cu polarizare de deplasare ionică, (ce posedă evident şi polarizare de deplasare electronică, proprietate universală a materiei) dilatarea termică conduce la apariţia a două efecte de sens contrar: - o micşorare a forţelor elastice care acţionează asupra ionilor prin creşterea distanţei dintre ei, deci o polarizabilitate mai mare a celulei elementare, adică o valoare mai mare a permitivităţii reale; - o micşorare a numărului momentelor electrice elementare pe unitatea de volum, adică o micşorare a permitivităţii reale. Pentru marea majoritate a dielectricilor cu polarizare de deplasare ionică primul efect este preponderent, deci coeficientul de temperatură al permitivităţii este pozitiv ( > 0) şi relativ mic (există şi unele excepţii notabile, printre care bioxidul de titan, pentru care cel de-al doilea efect predomină, conducând la micşorarea permitivităţii reale prin creşterea temperaturii). Fig.3.24 Dependenţa de temperatură la frecvenţă constantă a permitivităţii reale (a.) şi a tangentei unghiului de pierderi (b.) pentru dielectricii cu polarizare de deplasare şi pierderi prin conducţie La frecvenţă constantă dependenţa de temperatură a tangentei unghiului de pierderi este condiţionată de dependenţa exponenţială de temperatură a conductivităţii electrice, relaţiile (3.42) şi (3.43). 181

26 Pentru dielectricii cu polarizare de deplasare rezultă o comportare suficient de constantă cu temperatura ambiantă, cu excepţia temperaturilor foarte ridicate, la care pierderile prin conducţie cresc puternic datorită dependenţei exponenţiale. 3.5 Polarizarea de orientare a dielectricilor Modelul teoretic al dielectricilor cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie În absenţa câmpului electric exterior, la dielectricii cu polarizare de orientare, momentele electrice elementare sunt distribuite aleatoriu datorită agitaţiei termice, astfel încât, din punct de vedere macroscopic, polarizaţia este nulă. În prezenţa unui câmp electric exterior momentele electrice tind să se orienteze în direcţia câmpului, iar polarizaţia temporară este diferită de zero. Modelul teoretic simplificat presupune două stări stabile ale dipolilor: A şi B, în care momentele electrice au aceeaşi direcţie cu a câmpului electric aplicat, dar sensuri opuse. Aceasta ipoteza nu exclude posibilitatea existenţei unor stări diferite de stările A şi B, doar că aceste stări sunt presupuse mai puţin probabile. În fig.3.25 sunt reprezentate diagramele electrice corespunzătoare diferitelor stări, în absenţa sau în prezenţa câmpului electric exterior. În absenţa acestuia, cele două stări sunt egal probabile, ele fiind separate printr-o barieră de potenţial Wo. Numărul de momente electrice din starea A este egal cu cel corespunzător stării B, în momentul iniţial, când se aplică câmpul exterior, sau: N 0 N 0 N / 2, (3.52) A B unde N reprezintă numărul total de stări A şi B. În prezenţa câmpului electric exterior, cu orientare identică cu cea a momentelor din starea B, bariera de potenţial se micşoreaza cu We, favorizând tranziţiile momentelor electrice din starea A în starea B. Energia We reprezintă lucru mecanic efectuat de câmp pentru a modifica orientarea momentului electric din starea A în starea B. Astfel, numărul momentelor din starea B va fi superior celui corespunzător stării A, sau: N t N t (3.53) B A inegalitatea fiind cu atât mai pronunţată, cu cât intensitatea câmpului electric este mai ridicată. Aplicând sistemului de momente electrice elementare statistica Boltzmann, N t N t variază exponenţial cu timpul. rezultă că diferenţa B A Polarizabilitatea sistemului de momente electrice variază în timp proporţional cu această diferenţă, conform unei relaţii de forma: t 0 t e, (3.54) 182

27 t MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE unde: este polarizabilitatea la momentul iniţial, iar este constanta de timp de relaxare. Fig.3.25 Relieful de potenţial pentru un dielectric cu două stări stabile: (a) fără câmp electric exterior; (b) în prezenţa câmpului electrice exterior Introducând relaţia (3.54) în relaţia (3.39), care se aplică şi dielectricilor cu polarizare de orientare, se obţine: t jt 0 0 e dt 0, (3.55) 1 j Folosind notaţiile: st, pentru = 0 şi st, care au semnificaţia din fig.3.26, expresia (3.55) devine: 1 j j (3.56) 1 j 1 2 Fig Variaţia polarizării Variaţia în timp a inducţiei electrice şi permitivităţii la acţiunea unui câmp salt E, aplicat la bornele unui condensator cu dielectric cu polarizare de orientare, este exponenţială, fig.3.27 şi porneşte de la o valoare (care apare instantaneu) la st, ce apare după un timp = constanta de timp de polarizare sau relaxare, ce cumulează efectele polarizării. 183

28 Prin identificare se obţin expresiile părţii reale şi imaginare a remitivităţii complexe relative şi, cu ajutorul acestora, tangenta unghiului de pierderi pentru un dielectric fără pierderi prin conducţie: 2 1 (3.57) 1 tg st 2 2 În fig.3.27a este prezentată schema echivalentă a condensatorului cu dielectric cu polarizare de orientare şi pierderi prin polarizare, sintetizată astfel încât permitivitatea complexă a dielectricului să varieze cu frecvenţa conform relaţiilor (3.57). Fig.3.27 Schema echivalentă a condensatorului cu dielectric cu polarizare de orientare: (a) fără pierderi prin conducţie şi (b) cu pierderi prin conducţie Deoarece în cazurile reale dielectricii cu polarizare de orientare prezintă şi pierderi prin conducţie, schema echivalentă din fig.3.27a trebuie să fie completată conform relaţiei (3.46) cu rezistenţa de perderi prin conducţie: rp (3.58) stc0 şi se obţine schema echivalentă din fig.3.27b a cărei admitanţă de intrare are expresia: 184

29 1 st 0 Y j C C0 (3.59) 1 C0 jc0 Prin identificare cu relaţia (3.49) se obţin expresiile părţilor reală şi imaginară ale permitivităţii complexe relative şi, cu ajutorul acestora, expresia tangentei unghiului de pierderi: st 2 2 st 1 tg 2 st Rezultatele obţinute teoretic prin relaţiile (3.60), care simplifică mecanismele de polarizare din dielectric, limitând numărul stărilor stabile ale momentelor electrice elementare la numai două, sunt foarte bine verificate experimental pentru dielectricii cu polarizare de orientare. (3.60) Dependenţa de frecvenţă şi temperatură a permitivităţii relative complexe pentru dielectricii cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie Din diagramele reprezentate în fig.3.28a, stabilite pe baza relaţiilor (3.60), se observă că la temperatură constantă, permitivitatea reală descreşte monoton cu frecvenţa, datorită inerţiei orientării momentelor elementare atunci când frecvenţa creşte. La frecvenţe ridicate ( ), dielectricul are o permitivitate reală datorată exclusiv polarizării de deplasare electronică. Tangenta unghiului de pierderi are în general valori mari şi puternic dependente de frecvenţă, fig.3.28b. Din derivata acesteia: tg 0 (3.61) rezultă două maxime în funcţie de frecvenţă: - primul pentru 1 0, datorat pierderilor prin conducţie şi 1 st - al doilea pentru 2, datorat pierderilor prin polarizare. 185

30 Fig.3.28 Dependenţa de frecvenţă la temperatură constantă a permitivităţii reale (a) şi a tangentei unghiului de pierderi (b) pentru dielectricii cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie Pe graficul din fig.3.28b se pot delimita şi utilizările tehnologice ale diferitelor materiale dielectrice: - de joasă frecvenţă materiale pentru condensatoare de j.f., la care pierderile cresc cu frecvenţa; - în jurul celui de-al doilea maxim materialele cu cele mai mari pierderi dielectrice, folosite ca absorbanţi şi atenuatori; - de înaltă frecvenţă materiale pentru condensatoare de î.f., la care pierderile scad cu frecvenţa şi pentru izolatori. Variaţia cu temperatura a permitivităţii complexe, la frecvenţă constantă, pentru dielectricii cu polarizare de orientare poate fi dedusă din variaţiile cu temperatura ale mărimilor, st şi. Mărimea fiind partea reală a permitivităţii coplexe pentru polarizarea de deplasare electronică prezintă o foarte uşoară scădere cu creşterea temperaturii (fig.3.24a). Valoarea lui st scade mai puternic cu creşterea temperaturii, după legea Curie: 3T C st T T, (3.62) C unde T C este o mărime pozitivă, denumită temperatura Curie. În fig.3.29 şi fig.3.30 sunt reprezentate diagramele de variaţie ale permitivităţii reale şi tangentei unghiului de pierderi cu frecvenţa şi temperatura. La frecvenţe mici şi medii, permitivitatea reală prezintă o puternică dependenţă de temperatură, iar la frecvenţe ridicate, devine preponderentă contribuţia polarizării de deplasare electronică, care se modifică nesemnificativ cu temperatura. Intersecţiile caracteristicilor pentru diferite temperaturi presupun o dependenţă neunivocă. Astfel, la un moment dat, mărimile depind de evoluţia anterioară, comportarea dielectricului fiind diferită la creşterea, respectiv scăderea temperaturii. 186

31 Fig.3.29 Dependenţa de frecventă la două temperaturi diferite a permitivităţii reale şi a tangentei unghiului de pierderi, pentru dielectricii cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţ ie Fig.3.30 Dependenţa de temperatură la frecvenţă constantă a permitivi tăţii reale şi a tangentei unghiului de pierderi pentru dielectricii cu polarizare de orientare şi pierderi prin conducţie Tangenta unghiului de pierderi prezintă un maxim datorat pierderilor prin polarizare şi creşte exponenţial la temperaturi ridicate, datorită pierderilor prin conducţie. 3.6 Polarizarea permanentă spontană (sau piroelectrică) Modelul dielectricilor cu polarizare spontană Această stare de polarizare este specifică dielectricilor solizi cu legături ionice sau parţial ionice. Celula elementară a unui astfel de dielectric poate avea polarizare spontană moment electric diferit de zero în absenţa câmpului electric aplicat din exterior prin unul din următoarele mecanisme de polarizare: - polarizare de deplasare electronică a ionilor reţelei cristaline; - polarizare de deplasare ionică. Astfel, ionii reţelei pot obţine polarizare de deplasare electronică sub acţiunea câmpului electric datorat celorlalţi ioni ai reţelei (câmp electric cristalin). În consecinţă, acest mecanism este foarte dependent de structura (ordinea) cristalină a reţelei. Astfel, un ion nu poate fi polarizat dacă se află întrun centru de simetrie al reţelei acţiunile celorlalţi ioni anulându-se reciproc. Celula elementară a unui cristal poate avea moment electric diferit de zero în absenţa câmpului electric aplicat din exterior şi datorită polarizării de deplasare ionice când nu coincid centrele sarcinilor pozitive şi negative ale 187

32 celulei elementare. Aceste situaţii sunt din nou dependente de ordinea cristalină şi s-a constatat că numai cristalele care aparţin unui grup restrîns de clase de simetrie pot avea moment electric al celulei elementare de natura polarizării de deplasare ionice. În concluzie, momentul electric al celulei elementare este suma vectorială a momentelor electrice ale ionilor celulei (polarizare de deplasare electronică) şi a momentului electric obţinut prin polarizare de deplasare ionică: n p p p (3.63) c j ionic j1 Vectorul polarizaţie spontană este momentul electric al unităţii de volum, adică: Ps Npc, (3.64) unde N este numărul de celule elementare pe unitatea de volum. Din diversitatea acestor materiale, cristalele dielectrice cu polarizare spontană a cărei direcţie sau sens poate fi schimbată sub acţiunea unui câmp electric exterior se numesc cristale feroelectrice. Proprietatea se exprimă cantitativ prin relaţia: P Ps Pt, (3.65) în care vectorul polarizaţie P a cristalului se obţine ca o sumă sau diferenţă dintre vectorul P s al polarizării spontane şi vectorul polarizaţie temporară P t, datorat câmpului extern şi care în cazul diferenţei poate conduce la schimbarea sensului şi direcţiei lui P. Proprietatea permite şi justificarea teoretică a dependenţei de tip histerezis care există între inducţia şi intensitatea câmpului electric la cristalele feroelectrice. Dependenţa de temperatură a polarizării spontane Fig.3.31 Dependenţa modulului polarizaţiei spontane de temperatură pentru feroelectrici cu tranziţii de fază de ordinul 1 (a) şi de ordinul 2 (b) În cazul dielectricilor cu polarizare spontană, temperatura influenţează puternic starea de polarizaţie. De regulă polarizaţia scade cu creşterea temperaturii, astfel încât la o anumită temperatură, denumită temperatura Curie, 188

33 T C, polarizaţia spontană se anulează, cristalul prezentând în continuare numai polarizaţie temporară, fig Structura de domenii a feroelectricilor În funcţie de numărul direcţiilor posibile ale vectorului polarizaţie spontană în reţeaua cristalină a feroelectricilor, aceştia se clasifică în: - feroelectrici uniaxă, în care vectorul polarizaţie spontană are o singură direcţie; - feroelectrici multiaxă, în care vectorul are mai multe direcţii posibile în cristal. Experimental se constată că în absenţa câmpului exterior monocristalele feroelectrice nu au o distribuţie uniformă a polarizaţiei spontane în tot volumul, ci se formează domenii cu polarizare spontană uniformă, domenii separate prin pereţi, fig Structura de domenii apare din raţiuni pur energetice (micşorarea valorii de echilibru a potenţialului termodinamic al cristalului) în lipsa oricăror neomogenităţi ale reţelei cristaline. Fig.3.32 Pereţi de 180 (a) şi de 90 (b) în cristale feroelectrice, orientarea domeniilor de BaTiO 3 (c) În interiorul peretelui, direcţia şi mărimea polarizaţiei variază astfel încât să asigure trecerea de la un domeniu la celălalt în condiţiile minimizării energiei suplimentare înmagazinate în perete, fig De menţionat că grosimea pereţilor în feroelectrici este relativ mică (de exemplu, pentru BaTiO 3 la care constanta de reţea este de aproximativ 0,4 nm grosimea pereţilor de 180 o este de cel mult 2 nm, iar a celor de 90 o, de cel mult 10 nm). Fig.3.33 Variaţia vectorului polarizaţie spontană în interiorul unui perete de 180 o 189

34 Dependenţa de câmp, frecvenţă şi temperatură a permitivităţii complexe relative a feroelectricilor Partea reală a permitivităţii complexe relative are valori foarte mari (sute...zeci de mii) dependente puternic de temperatură, în special în apropierea temperaturii Curie, fig Pentru faza neferoelectrică ( T TC ) scade cu temperatura după legea Curie-Weiss: A T T, (3.66) C unde A este o constantă de material. Fig.3.34 Dependenţa părţii reale a permitivităţii complexe de temperatură: feroelectrici cu tranziţii de fază de ordin 2 (a); feroelectrici cu tranziţii de fază de ordin 1 (b); dependenţa părţii reale a permitivităţii de câmp, în faza neferoelectrică (c) În cazul cristalelor feroelectrice, permitivitatea depinde puternic nu numai de temperatură, ci şi de câmpul electric, scăzând cu creşterea acestuia. În faza feroelectrică, dependenţa de tip histerezis inducţie-intensitate a câmpului electric condiţionează o dependenţă de tip histerezis a permitivităţii diferenţiale de câmp, fig Fig.3.35 Ciclul histeresis (a), (b) şi dependenţa permitivităţii diferenţiale de câmpul electric aplicat, în faza feroelectrică (c) 190

35 Pentru ciclul de histeresis, se definesc mărimile: - câmpul coercitiv E c, este câmpul electric exterior minim necesar pentru a produce anularea polarizaţiei; - polarizaţia remanentă Pr, este polarizaţia materialului corespunzătoare absenţei câmpului electric exterior; - polarizaţia de saturaţie Psat este polarizaţia maximă a materialului, orientată în sensul câmpului electric aplicat; - permitivitatea relativă diferenţială, este panta ciclului de histeresis în punctul considerat: 1 D dif (3.67) 0 E T ct - permitivitatea relativă reversibilă, este panta ciclului minor definită în punctul de funcţionare pe un ciclu reversibil: 1 D rev lim E0 (3.68) 0 E EE 0, DD0, ciclureversibil şi are valoare inferioară permitivităţii relative diferenţiale, pentru că axa ciclului minor este mai puţin înclinată decât tangenta în punctul respectiv al ciclului de histeresis - permitivitatea relativă iniţială, se defineşte în originea axelor de coordonate: 1 D in lim E0 (3.69) 0 E E0, D0, ciclureversibil De asemenea, valoarea părţii reale a permitivităţii depinde de frecvenţa câmpului electric aplicat. În general, pentru toţi feroelectricii, valoarea permitivităţii este constantă cu frecvenţa într-o bandă destul de largă, fig.3.36a, intervenind un fenomen de relaxare la o frecvenţă f r suficient de ridicată (de ordinul Hz pentru BaTiO 3 ). Scăderea valorii permitivităţii prin creşterea frecvenţei se poate atribui unei cuplări piezoelectrice a domeniilor vecine, cuplare mai puternică la frecvenţe mai mari. Fig.3.36 Dependenţa de frecvenţă a permitivităţii reversibile real e (a) şi a părţii imaginare a permitivităţii feroelectrilor (b) 191

36 În privinţa pierderilor de energie în feroelectrici, caracterizate prin partea imaginară a permitivităţii complexe, acestea sunt mari în valoare absolută şi depind puternic de temperatură, câmpul aplicat şi frecvenţă, în special în apropierea temperaturii de tranziţie. Pentru frecvenţe inferioare celei de relaxare, partea imaginară a permitivităţii feroelectricilor creşte aproape liniar cu frecvenţa, fig.3.36b, tangenta unghiului de pierderi putând atinge valori până la 0,1... 0,2. Pierderile ridicate impun utilizarea unei scheme echivalente serie pentru un condensator feroelectric, care este reprezentată împreună cu diagrama vectorială asociată, în fig Fig.3.37 Schema echivalentă serie şi diagrama vectorială pentru un condensator cu feroelectric (cu pierderi semnificative) Tangenta unghiului de pierderi are expresia: tg CsRs (3.70) Experimental se constată că valoarea capacităţii serie şi rezistenţei serie echivalente sunt aproape independente de temperatură, frecvenţă şi valorile câmpului electric. Rezultă că dependenţele de temperatură şi câmp electric ale părţii imaginare a permitivităţii sunt analoage ca formă aceloraşi dependenţe ale părţii reale, fig Cristalele feroelectrice se împart în: - feroelectrici cu cationi metalici în interstiţii octaedrice formate din anioni de oxigen, denumiţi şi oxidici, care sînt oxizi dubli ai unor elemente în special din grupa de tranziţie; aceşti oxizi cristalizează în structuri de tip perovskit (BaTiO 3, KNbO 3, CaTiO 3 ), piroclor (Cd 2 Nb 2 O 7 ), ilmenit etc. - feroelectrici cu legătură de hidrogen (sarea Seignette KNaC 4 H 4 O 6 2H 2 O, dihidro-fosfatul de potasiu KDP, sulfatul de triglicină TGS). Cristalele lichide sunt materiale organice care posedă simultan proprietăţi ale lichidului izotrop (fluiditate, curgere, unirea picăturilor prin contact) şi proprietăţi ale solidelor cristaline (existenţa unei ordini la distanţa care condiţionează anizotropia principalelor proprietăţi fizice, precum 192

37 polarizarea şi magnetizarea, conductibilitatea electrică şi termică, refracţia luminii, proprietăţile elastice). Moleculele cristalelor lichide sunt lungi şi de formă rotundă în secţiune, cu moment electric permanent destul de puternic şi cu grupuri uşor polarizabile. Între aceste molecule se stabileşte ordine spontană la distanţă asemănătoare cristalelor solidelor cristaline. Starea de cristal lichid se manifestă într-un domeniu de temperaturi delimitat de două temperaturi de tranziţie. Pentru temperaturi mai mici decât T 1 temperatura de topire cristalul devine solid, iar pentru temperaturi mai mari decât T 2 temperatura de limpezire cristalul devine lichid izotrop. În funcţie de tipul ordinii la distanţă cristalele lichide se împart în trei grupe: cristale lichide smectice, cristale lichide nematice şi cristale lichide colesterice, fig Fig.3.38 Modelul ordonării moleculare: lichid izotrop (a); cristal lichid smectic (b); cristal lichid nematic (c); cristal lichid colesteric (d) În cristale lichide smectice, moleculele formează straturi cu grosime de aproximativ 20Å, în care moleculele sunt paralele între ele. Faţă de planul stratului, moleculele sunt perpendiculare sau înclinate, se pot deplasa în plan, dar nu se pot deplasa dintr-un plan în altul. În cristalele lichide colesterice, direcţia de orientare a moleculelor, se modifică de la un strat la altul, într-o manieră elicoidală. Moleculele se pot deplasa în planul stratului şi dintr-un strat în altul. Din punct de vedere optic, cristalele lichide nematice se comportă precum cristalele uniax, datorită simetriei lor, cu efecte optice importante în straturi subţiri de ordinul μm... zeci de μm. Câmpul electric de o anumită valoare aplicat unei structuri de cristal lichid nematic modifică aranjamentul iniţial al acestuia, adică modifică poziţia elipsoidului indicelui de refracţie faţă de direcţia de propagare a fluxului luminos. În acest mod apare o birefringenţă indusă de câmp care condiţionează efecte electrooptice specifice. Tensiunea de prag necesară modificării structurii cristalului lichid nematic depinde de proprietăţile dielectrice şi elastice ale acestuia. 193

38 Familia cristalelor lichide nematice este foarte numeroasă, conţinând baze Sghiff, azo-benzeni, stilbeni şi clorostilbeni etc. 3.7 Polarizarea permanentă piezoelectrică Modelul polarizării piezoelectrice Polarizarea piezoelectrică este un tip de polarizare permanentă (ca şi polarizarea spontană), la care se adaugă în plus proprietatea de piezoelectricitate. Polarizarea permanentă se realizează prin mecanismul polarizării de deplasare ionică, prezent şi la polarizarea spontană, de unde şi condiţia ca această proprietate o pot avea numai structurile cristaline necentrosimetrice. Piezoelectricitatea este proprietatea de modificare a stării de polarizare sub acţiunea unor tensiuni mecanice efect piezoelectric direct şi de deformare a reţelei cristaline sub acţiunea câmpului electric exterior efect piezoelectric invers. Cel mai simplu model de reţea fără centru de simetrie, stratul electric dublu, prezintă atât efect piezoelectric direct (fig.3.39a), cât şi efect pizoelectric invers (fig.3.39b). a) b) Fig.3.39 Stratul electric dublu ca model al unei reţele fără centru de simetrie: a) efect piezoelectric direct; b) efect piezoelectric invers În cazul unei reţele cu centru de simetrie, de exemplu un strat electric triplu, tensiunile mecanice nu modifică starea de polarizaţie a cristalului indiferent de sensul lor, fig.3.40a, deci efectul pizoelectric direct este imposibil. Prin aplicarea unui câmp electric exterior, indiferent de sensul câmpului, rezultă modificarea într-un singur sens a dimensiunilor reţelei, fig.3.40b. Din acest motiv, cristalele cu centru de simetrie al sarcinilor electrice punctuale poartă numele de cristale electrostrictive. 194

39 a) b) Fig.3.40 Reţea cu centru de simetrie: stratul electric triplu : a) imposibilitatea efectului piezoelectric direct ; b) efect electrostrictiv Din totalul de 32 clase cristaline, aparţinând grupului simetriilor punctuale, nu au centru de simetrie 20, care sunt deci piezoelectrice; dintre acestea, 10 sunt clasele polare (cristalele polare feroelectrice). Relaţiile de legătură între proprietăţile electrice şi elastice ale cristalelor Starea unui cristal este caracterizată la un moment dat şi la temperatură constantă de următoarele mărimi de stare: - mărimi de natură electrică, intensitatea câmpului electric E şi inducţia electrică D, care sunt mărimi vectoriale; - mărimi de natură mecanică, tensiunea mecanică T şi deformaţia mecanică S, care sunt tensori de ordinul 2 în spaţiul tridimensional (matrici de ord. 3). Relaţiile de legătură între mărimile de stare electrice şi mecanice pot fi scrise la temperatură constantă, alegând două dintre aceste mărimi, T şi E, ca variabile independente; iar pentru celelalte două pot fi scrise diferenţialele totale: S i S i dsi dtk dek Tk E Ect k T ct (3.71) D i D i ddi dtk dek Tk E Ect k T ct Derivatele parţiale care intervin în relaţiile (3.71) sunt evident proprietăţi de material. 195

40 Coeficientul de elasticitate (complianţa), definit la câmp constant, caracterizează în limitele de elasticitate ale cristalului proporţionalitatea între S i E deformaţii şi tensiunile mecanice aplicate: sik. Tk E Permitivitatea dielectrică definită la tensiune mecanică constantă este un D i T tensor de ordinul 2 în spaţiul tridimensional: ik. Ek T Coeficientul piezoelectric de sarcină caracterizează atât efectul piezoelectric direct (partea stângă, variaţia stării de polarizaţie sub acţiunea unei tensiuni mecanice), cât şi efectul piezoelectric invers (partea dreaptă, deformarea cristalului sub acţiunea câmpului electric exterior); în spaţiul D i S i tridimensional este un tensor de ordinul 3: dik. Tk E E k T La dispozitivele piezoelectrice interesează coeficientul de cuplaj piezoelectric, ce se defineşte ca raportul dintre densitatea de energie mutuală elastică-dielectrică şi rădăcina pătrată a produsului dintre densitatea de energie elastică şi densitatea de energie dielectrică în cristalul piezoelectric: Wm k (3.72) WW e d Densităţile de energie amintite sunt funcţii de densitatea de energie internă a cristalului W, care la rândul ei este funcţie de sistemul de ecuaţii piezoelectrice, astfel încât, pentru bara din fig.3.41, coeficientul de cuplaj pizoelectric rezultă: d31 k31 (3.73) T E s Fig.3.41 Bară piezoelectrică cu tensiuni mecanice paralele cu axa Ox şi câmp electric paralel cu axa Oz 196

41 Deşi sunt determinaţi cu ajutorul coeficienţilor elastici, dielectrici şi piezoelectrici, coeficienţii de cuplaj piezoelectrici oferă informaţii globale asupra piezoelectricităţii unui cristal, informaţii mult mai directe decât setul de valori al coeficienţilor de material. Deoarece întodeauna Wm We, Wm Wd, rezultă că valorile coeficienţilor de cuplaj sunt subunitare pentru toate cristalele piezoelectrice, respectiv nule pentru toate cristalele nepiezoelectrice. Cristale piezoelectrice pentru dispozitive cu undă elastică de volum Deşi foarte multe cristale posedă piezoelectricitate, utilizări practice pentru dispozitivele cu undă elastică de volum prezintă cuarţul (dintre neferoelectrici), iar dintre cristalele feroelectrice: titanatul de bariu, titanatul-zirconatul de plumb şi niobatul de sodiu şi potasiu. Cuarţul la temperatură normală cristalizează în sistemul trigonal trapezoiedric (clasa de simetrie 32) şi are următoarele proprietăţi fizice care îl recomandă pentru aplicaţii în dispozitivele piezoelectrice (rezonatoare): - elasticitate ridicată; - pierderi interne (prin vâscozitate) mici, ceea ce conduce la un factor de calitate mare al dispozitivului; - stabilitate termică bună; - existenţa în natură în stare cristalină, simultan cu posibilitatea fabricării de cuarţ sintetic. Coeficienţii de cuplaj piezoelectric au în cazul cuarţului valori reduse (compatativ cu alte materiale), de exemplu în lungul axei Ox: d11 k11 0,095 (3.74) T E s Utilizările principale ale cuarţului sunt la realizarea de rezonatoare, unde cuarţul (cu sistemul tehnic de coordonate: stâng sau drept) se taie sub formă de bare sau plachete cu anumite orientări faţă de axele de coordonate. Obs. În tehnologia acestor dispozitive, cunoaşterea şi executarea cu precizie a secţiunilor, faţă de axele de simetrie influenţează puternic parametrii dispozitivelor. Cristale feroelectrice (ceramici piezoelectrice) În funcţie de comportarea cu temperatura acestea se împart în două categorii: cristale care sunt piezoelectrice (sunt necentrosimetrice) la temperaturi inferioare dar şi la temperaturi superioare temperaturii Curie, T C şi cristale care sunt piezoelectrice numai la temperaturi inferioare lui T C (peste T C capătă centru de simetrie). Exemple de cristale feroelectrice din prima categorie: sarea Seignette (tartrat dublu de Na şi K) şi KDP (dihidrofosfatul de K) care au T C egale cu +24 o C şi respectiv 151 o C. Deşi sarea Seignette are coeficientul de cuplaj 197

42 piezoelectric mare (circa 0,9), utilizarea sa este redusă din cauza hidroscopicităţii pe care o are. Cristalele din grupa a II-a sunt reprezentate de titanatul de Ba (BaTiO 3 ), titanat-zirconat de Pb PZT, niobat de Na şi K, sulfatul de triglicerină TGS. Pentru simplitate în tehnologia de prelucrare ulterioară a dispozitivelor se preferă soluţia divizării acestor cristale şi aglomerării lor printr-o tehnologie tip ceramică. Aceste ceramici prezintă dezavantajul unei dependenţe a coeficienţilor de polarizaţia remanentă şi de temperatură, fiind deci sensibile la îmbătrânire. Titanatul de Ba (frecvent utilizat) are coeficienţii de cuplaj piezoelectric superiori cuarţului, dar inferiori sării Seignette. Însă, pentru dispozitive de preferinţă se utilizează ceramici de tipul soluţiilor solide de PZT şi niobat de Na şi K. PZT au T C de ordinul o C având deci o stabilitate termică superioară la temperaturi obişnuite. Cristale piezoelectrice pentru dispozitive cu undă elastică de suprafaţă Acestea utilizează aproape în exclusivitate unde elastice de tip Rayleigh, ce se propagă numai la suprafaţa materialelor (Anexa 3.. ) Cristalele piezoelectrice utilizate în aceste dipozitive sunt caracterizate de următorii parametri: - viteza de propagare; - coeficientul de temperatură al vitezei de propagare; - coeficientul de cuplaj piezoelectric; - atenuarea undei de suprafaţă la frecvenţa de 1 GHz. Dintre aceste materiale se remarcă cuarţul (pentru stabilitatea cu temperatura) şi niobatul de litiu, pentru coeficientul de cuplaj piezoelectric mare şi atenuarea mică (mai puţin stabil însă cu temperatura, necesitând termostatarea dispozitivelor). Ceramicile piezoelectrice nu se pot utiliza decât până la frecvenţe de zeci de MHz, deoarece acestea au atenuări mari. În variantele integrate ale dispozitivelor se preferă utilizarea unor materiale ca ZnO sau sau nitrat de aluminiu (AlN), crescute epitaxial pe acelaşi substrat de safir pe care se creşte şi siliciul necesar realizării integratului monolitic, obţinându-se astfel o simplificare şi o flexibilitate tehnologică utile în dispozitive complexe (linii de întârziere programabile, codere-decodere, etc.). 3.8 Stări de polarizaţie cvasipermanente (de tip electret) Electreţii sunt materiale dielectrice care prezintă polarizaţie remanentă de lungă durată. a) Termoelectreţii se obţin prin încălzirea în câmp electric a dielectricului până la o temperatură apropiată de temperatura de topire. 198

43 Mobilitatea sarcinilor electrice se măreşte, producându-se acumulări de sarcini pe suprafeţele dielectricului. Dipolii se vor orienta după direcţia liniilor de câmp electric şi vor "îngheţa" în poziţiile lor, prin scăderea temperaturii. Eterosarcina se formează prin orientarea dipolilor, sau deplasarea sarcinilor, fig.3.42a. Fig.3.42 Formarea sarcinilor termoelectreţilor: eterosarcini (a); omosarcini (b) Omosarcina este sarcina distribuită superficial transferată de la electrozi prin străpungeri locale ale interstiţiului electrod electret, apare în câmpuri electrice intense şi, având pondere mai mare decât eterosarcina, stabileşte semnul sarcinii elecetrice superficiale. fig.3.42b. Electreţii formaţi în câmp electric scăzut (E < 0,5 MV/m), nu prezintă omosarcină, fig.3.43a, care scade în timp printr-un proces de relaxare a dipolilor. Cei formaţi în câmp electric intens (E > 100MV/m), posedă omosarcină, fig.3.43b, care scade printr-un proces de conducţie. Electreţii formaţi în câmpuri electrice medii, posedă atât eterosarcină cât şi omosarcină, care se compensează la un moment dat. Fig.3.43 Variaţia în timp a densităţii de sarcină a electreţilor: termoelectreţi formaţi în câmpuri slabe (a); termoelectreţi formaţi în câmpuri puternice (b); termoelectreţi formaţi în câmpuri medii (c) b) Fotoelectreţii sunt realizaţi din materiale fotoconductoare (cum este sulfura de zinc), plasate în câmp electric şi puternic iluminate. Dacă energia cuantelor de lumină este suficientă pentru a transfera electroni din banda de valenţă în banda de conducţie, aceşti electroni sunt captaţi pe nivele locale, create prin defecte în reţeaua cristalină, fig

44 După anularea fluxului luminos şi a câmpului electric, electronii captaţi pe nivele locale produc polarizaţie remanentă, dar revin în poziţiile iniţiale prin încălzirea materialului. Iluminarea distruge instantaneu polarizaţia remanentă, determinând trecerea tuturor electronilor de pe nivelele locale în banda de conducţie. Fig.3.44 Diagrama nivelelor energetice într-un fotelectret c) Pseudoelectreţii se obţin prin captarea electronilor radiaţiei β (formată din electroni) şi pe nivelele locale generate prin defecte ale reţelei cristaline ale suprafeţei iradiate, fig Fig.3.45 Structura pseudoelectreţilor. Câmpul electric al sarcinii astfel fixate va acţiona asupra sarcinii din electrodul metalic, atrăgând sarcina electrică pozitivă pe suprafaţa inferioară a materialului dielectric. 3.9 Rigiditatea dielectricilor În plaja temperaturilor normale, fiecare dielectric prezintă o conductivitate nenulă (permite trecerea curentului electric) datorită fie a sarcinilor electrice libere (electronilor şi golurilor generaţi temic), sau a defectelor cristaline. Dacă un material dielectric se plasează între 2 armături (plăci conductoare) şi se introduce într-un câmp electric a cărei intensitate este 200

45 crescută gradat, pentru o anumită valoare a intensităţii câmpului electric, prin dielectric ia naştere un curent electric care creşte brusc şi necontrolat. Astfel, în câmpuri electrice intense, densitatea curentului de conducţie în materialul dielectricului nu mai depinde liniar de intensitatea câmpului şi materialul se străpunge, pierzându-şi proprietăţile izolante, fenomenul fiind denumit străpungerea dielectricului. Fenomenul de străpungere poate fi pus în evidenţă utilizând un montaj experimental, ca cel din fig.3.46a, în care E este o sursă reglabilă de tensiune, V este un voltmetru care măsoară tensiunea pe dielectric, iar ma este un miliampermetru care măsoară curentul prin dielectric, graficul valorilor acestor mărimi electrice, obţinute pentru diferite valori ale tensiunii de alimentare, fiind prezentat în fig.3.46b. La valori mici ale lui E, valoarea curentului prin dielectric este foarte redusă. În momentul în care valoarea lui E este crescută astfel încât tensiunea pe dielectric atinge o valoare de prag V STR, se constată o creştere bruscă a curentului prin dielectric, care demonstrează apariţia fenomenului de străpungere. a. b. Fig.3.46 Schema electrică pentru studiul străpungerii dielectricilor Fenomenul de străpungere se explică prin creşterea în avalanşă a conductivităţii electrice la valori foarte mari. Prin creşterea puternică a curentului care trece prin material, puterea disipată pe acesta devine foarte mare, temperatura la nivelul acestuia creşte puternic, iar materialul dielectric se poate distruge. În concluzie, tensiunea la care are loc străpungerea se numeşte tensiune de străpungere - U STR. Valoarea intensităţii câmpului electric, corespunzătoare acestei tensiuni, la care fenomenul de străpungere are loc poartă numele de rigiditate dielectrică (sau câmp de străpungere) şi este definită de relaţia: USTR ESTR [KV/m], (3.75) d unde d este grosimea dielectricului. 201

46 Rigiditatea dielectricilor gazoşi În dielectricii gazoşi străpungerea se datoreşte în majoritatea cazurilor ionizărilor prin ciocnire. Prin acest mecanism străpungerea se produce atunci cînd energia cinetică a purtătorilor de sarcină liberi (electroni şi ioni), acceleraţi de câmpul electric, este suficient pentru a produce ionizarea prin ciocnire a moleculelor gazului. Datorită drumului liber mijlociu mare al purtătorilor de sarcină în gaze, aceştia din urmă acumulează energii mari sub acţiunea câmpului între două ciocniri, astfel încât rigiditatea dielectrică a gazelor la presiunea normală nu este prea ridicată (pentru aer la presiunea normală E STR = 3 MV/m). Creşterea presiunii gazului, prin micşorarea drumului liber mijlociu, conduce la creşterea rigidităţii. De asemenea, micşorarea presiunii conduce la creşterea rigidităţii datorită micşorării probabilităţii de ciocnire a purtătorilor acceleraţi cu moleculele gazului. În fig.3.47 sunt prezentate curbele Pachen pentru aer: STR U f pd, (3.76) unde: - p este presiunea gazului, - d este distanţa dintre electrozii care crează câmpul uniform şi - USTR ESTRd este tensiunea aplicată electrozilor la străpungere. Din curbele Pachen se observă că există o tensiune minimă aplicată electrozilor sub care străpungerea în câmp omogen nu mai este posibilă, indiferent de presiunea gazului şi distanţa dintre electrozi. Această tensiune este, pentru majoritatea gazelor, cuprinsă între 280 V şi 420 V (pentru aer este aprox. 350 V). Fig.3.47 Curbele Pachen pentru aer Rigiditatea gazelor în câmp omogen variază cu frecvenţa. În fig.3.48 este reprezentată această dependenţă pentru aer (E STR0 este rigiditatea pentru câmp electric continuu). Pentru frecvenţe joase se constată o scădere a rigidităţii 202

47 datorită acumulării de sarcini de volum în gaz din cauza vitezelor diferite ale ionilor pozitivi şi electronilor. Prin creşterea frecvenţei, rigiditatea creşte deoarece durata procesului de ionizare prin ciocnire (de ordinul s) devine comparabilă cu semiperioada câmpului electric alternativ. Fig.3.48 Dependenţa de frecvenţă a rigidităţii aerului Străpungerea gazelor în câmp neomogen se deosebeşte mult de străpungerea în câmp omogen. Un tip de străpungere în câmp neomogen este descărcarea parţială sub formă de efect corona în zonele în care intensitatea câmpului atinge valorile de străpungere. Rigiditatea dielectricilor lichizi În cazul MDL în stare de purificare înaintată, străpungerea se datoreşte de asemenea unui mecanism de ionizare prin ciocnire. Întrucât drumul liber mijlociu al purtătorilor de sarcină este în acest caz mult mai mic decât în cazul MDG, rigiditatea dielectrică este mult mai ridicată, poate atinge 100 MV/m. Deoarece incluziunile de apă, bule de gaze, particule mecanice în suspensie, au un diferit de cel al lichidului care le cuprinde, acestea se distribuie sub forma unor lanţuri de-a lungul liniilor de câmp electric, constituind elemente care micşorează rigiditatea dielectrică în raport cu a lichidului pur. În aceste condiţii, rigiditatea la MDL este de ordinul MV/m, adică de aproape 10 ori mai mare decât rigiditatea MDG la presiune normală. Pentru câmpuri de frecvenţă ridicată, în special pentru MDL cu polarizare de orientare, pierderile dielectrice conduc la o încălzire a lichidului, ceea ce favorizează străpungerea prin creşterea numărului de purtători liberi. Rigiditatea dielectrică a MDL scade deci cu creşterea frecvenţei. Restabilirea rigidităţii dielectrice după ce a avut loc străpungerea este mai puţin perfectă în cazul MDL decât în cazul MDG deoarece lichidul se impurifică cu produsele care s-au format în momentul străpungerii. 203

48 Rigiditatea dielectricilor solizi Cu toate că drumul liber mijlociu al purtătorilor de sarcină este foarte mic în MDS, în comparaţie cu MDL sau MDG, totuşi şi în acest caz pot avea loc ionizări prin ciocnire care conduc la străpungere electrică. Corespunzător valorii drumului liber mijlociu, rigidităţile dielectrice ale MDS sunt de ordinul sutelor de MV/m. Străpungerea electrică este o străpungere distructivă de scurtă durată, care se întîlneşte destul de rar, numai în cazul materialelor perfect omogene. Mult mai des, străpungerea dielectricilor solizi neomogeni macroscopic se datoreşte străpungerilor prin ionizarea incluziunilor gazoase din dielectric sau a dielectricului lichid de impregnare (străpungere prin ionizare). Un exemplu pentru rolul incluziunilor poate fi dat în cazul dielectricilor solizi organici unde studiul fenomenelor care favorizează apariţia străpungerilor în solid pot fi grupate în trei categorii: - acţiunea nemijlocită asupra dielectricului prin bombardament cu ioni şi electroni proveniţi prin ionizarea gazului; -acţiunea temperaturilor ridicate generate local prin străpungerea incluziunii gazoase; - acţiunea chimică asupra dielectricului a produselor rezultate prin ionizarea gazului, în special ozonul şi oxizii de azot, care produc oxidări puternice. Primele două fenomene şi în special primul, acţionează în timp scurt, în timp ce ultimul este un proces de durată. Ca urmare, străpungerea prin ionizare a dielectricilor solizi organici se produce într-un timp variind de la zecimi de secundă la zeci de ore, în funcţie de preponderenţa proceselor citate. În cazul dielectricilor anorganici, care se caracterizează printr-o stabilitate chimică mai ridicată comparativ cu cei organici, străpungerile prin ionizarea incluziunilor gazoase prezintă, în primul rând, pericolul creşterii locale a temperaturii, ceea ce poate conduce la străpungerea termică sau la apariţia unor forţe mecanice care să producă fisurarea materialului dielectric. Străpungerea termică se datoreşte diferenţei între Q 1, cantitatea de căldură dezvoltată datorită pierderilor în dielectric şi Q 2, cantitatea de căldură cedată de dielectric mediului ambiant, prin convecţie termică: Q2 Sd a. Diferenţa Q contribuie la creşterea temperaturii dielectricului, adică la creşterea curentului de conducţie electrică, ceea ce măreşte şi mai mult Q 1. Această avalanşă termică continuă practic până la distrugerea dielectricului (cei anorganici se topesc, cei organici ard). Câmpul limită la care are loc străpungerea, numit câmp de străpungere termică, nu este o proprietate intrinsecă a materialului dielectric, depinzând de temperatura mediului ambiant, de dimensiunile şi posibilităţile de răcire ale dielectricului, de durata câmpului aplicat (fig.3.49). Câmpul de străpungere termică scade atunci când temperatura mediului ambiant creşte. 204

49 La o acţiune îndelungată a câmpului continuu în dielectric pot apărea procese electrochimice care conduc la distrugerea dielectricului şi, în ultimă instanţă, la străpungere. Acest tip de străpungere, denumit străpungere electrochimică este condiţionat de existenţa unui curent de conducţie de natură ionică în dielectric. Fig.3.49 Variaţia temperaturii dielectricului în timp Fig.3.50 Variaţia rigidităţii dielectrice în timp Temperaturile ridicate, favorizând atât conducţia cât şi reacţiile chimice, accelerează străpungerea electrochimică a dielectricului care, în caz general, este un proces de lungă durată, de ordinul a sute şi mii de ore. Pentru un anumit tip de material dielectric, în funcţie de natura sa şi de condiţiile specifice de utilizare, predomină unul sau altul dintre cele patru mecanisme de străpungere citate pentru dielectricii solizi. Adesea, pentru un acelaşi tip de material, mecanismul de străpungere se poate modifica sau se obţine trecerea de la un mecanism de străpungere la celălalt. Tabelul 1 conţine, comparativ, duratele de acţiune ale celor patru mecanisme de străpungere a dielectricilor solizi. Tabelul 1 Duratele de străpungere ale mecanismelor de străpungere în dielectric Întrucât în timpul funcţionării unor piese sau dispozitive condiţiile termice şi chimice de mediu nu se menţin în general constante, iar piesa în sine îmbătrâneşte, rigiditatea scade în timp, tinde spre câmpul de lucru E lucru, fig

50 3.10 Proprietăţile fizico-chimice, electrice, mecanice şi clasificarea materialelor dielectrice a. Proprietăţile fizico-chimice Higroscopicitatea este proprietatea dielectricului de a absorbi umiditatea din mediul ambiant. Ea depinde de compoziţia chimică şi structurală, precum şi de porozitatea materialului. Ea influenţează tangenta unghiului de pierderi, care creşte mult o dată cu creşterea umidităţii din material cît şi rezistivitatea de volum care scade cu creşterea umidităţii. Densitatea d = masa/volum, se exprimă în kg/dm 3. Porozitatea p este raportul dintre volumul porilor V p şi volumul total V t, al unei mostre de material: Vp p% 100 (3.77) Vt La materialele electroizolante pe bază de celuloză porozitatea poate atinge valori pînă la 50%. Conductibilitatea termică reprezintă proprietatea materialului de a conduce căldura şi se apreciază prin conductivitatea termică, numeric egală cu căldura care trece în unitatea de timp prin unitatea de suprafaţă considerată, pentru diferenţa de temperatură de un grad (W/m o C). Stabilitatea termică este proprietatea materialelor electroizolante de a rezista timp îndelungat la o anumită temperatură maximă admisibilă cu condiţia să-şi păstreze caracteristicile de bază garantate. În funcţie de temperatura maximă admisibilă de utilizare, materialele electroizolante se încadrează în următoarele şapte clase de izolaţie: Y, A, E, B, F, H, C, cărora le corespund următoarele temperaturi maxime admisibile de utilizare: 90, 105, 120, 130, 155, 180 şi peste 180 o C. Stabilitatea la temperaturi scăzute este proprietatea materialelor electroizolante de a-şi menţine principalele caracteristici electrice şi mecanice în condiţiile temperaturilor scăzute, de ordinul 60 la 70 o C. Punctul de aprindere şi punctul de inflamabilitate reprezintă temperatura cea mai joasă la care un material emite o cantitate suficientă de vapori, care poate da cu aerul înconjurător un amestec combustibil. Amestecul combustibil se poate aprinde cu ajutorul unei flăcări, caz în care se determină punctul de inflamabilitate sau se poate aprinde singur, caz în care se determină punctul de aprindere. Solubilitatea este proprietatea materialelor electroizolante de a se putea dizolva într-o substanţă lichidă numită solvent. Solubilitatea se apreciază după cantitatea maximă de substanţă care poate fi dizolvată în solventul dat, adică după concentraţia soluţiei saturate (%). Stabilitatea chimică reprezintă rezistenţa materialelor faţă de acizi, gaze, apă, baze, săruri solubile etc. 206

51 b. Rezistivitatea de volum şi de suprafaţă Rezistivitatea de volum şi rezistivitatea de suprafaţă şi respactiv rezistenţa de volum şi rezistenţa de suprafaţă sunt proprietăţi ale materialului dielectric legate de fenomenul de conducţie electrică, alături de celelalte proprietăţi electrice tratate pe larg: constanta dielectrică (permitivitatea dielectrică), tangenta unghiului de pierderi tg şi rigiditatea dielectrică. Orice dielectric real nu este un izolator electric perfect. Curentul de scurgere, legat de fenomenul de conducţie electrică, este extrem de mic şi are două căi de trecere prin dielectric: prin masa (volumul) dielectricului şi pe suprafaţa acestuia. Curentul total de scurgere I, sau de fugă, va avea deci două componente: I Iv Is (3.78) Trecând prin cele două căi, curentul întâmpină o rezistenţă de volum R v şi o rezistenţă de suprafaţă R s. Deoarece cele două rezistenţe sunt legate în paralel, fig.3.51, rezistenţa totală, sau rezistenţa de izolaţie R iz, va avea valoarea: RR v s Riz (3.79) Rv Rs şi se determină astfel: Riz U / I (3.80) unde U este tensiunea continuă aplicată între armăturile metalice ale condensatorului. Fig.3.51 Schema echivalentă a dielectricului supus tensiunii continue Rezistenţa unităţii de volum este rezistenţa specifică de volum şi se numeşte rezistivitate de volum. Rezistivitatea de volum v este definită ca rezistenţa electrică, măsurată în curent continuu, a unui cub din dielectric cu latura egală cu unitatea: R S / h (3.81) v v 207

52 unde S este aria unei feţe a cubului iar h este înălţimea cubului. Unitatea de măsură fiind [Ωm]. Rezistenţa unităţii de suprafaţă este rezistenţa specifică de suprafaţă şi se numeşte rezistivitate de suprafaţă. Rezistivitatea de suprafaţă ρ s este definită ca rezistenţa electrică, măsurată în curent continuu, a unei suprafeţe de dielectric delimitată de doi electrozi în formă de cuţit: s Rs Lc / D (3.82) unde L c este lungimea electrozilor-cuţit iar D este distanţa dintre electrozi. Unitatea de măsură fiind [Ω]. Rezistivitatea dielectricului depinde de starea de agregare, de compoziţia lui, precum şi de umiditatea şi temperatura mediului ambiant. c. Caracteristicile şi proprietăţile mecanice: - rezistenţa la tracţiune; - rezistenţa la compresiune; - rezistenţa la înconvoiere; - rezistenţa la oboseală (proprietatea de a rezista la solicitări alternative); - duritatea ( proprietatea de a se opune pătrunderii în masa lor); - rezilienţa (proprietatea de a rezista la şocuri solicitări aplicate brusc). d. Clasificarea materialelor dielectrice (electroizolante) Sunt trei mari grupe de materiale dielectrice: gazoase, lichide şi solide. A. GAZOASE: aerul, azotul, hidrogenul, gazele electronegative. B. LICHIDE: B1 HIDROCARBURI AROMATICE: benzenul, toluenul etc. B2 ULEIURI: a. naturale: a1 minerale: de transformator, de condensator, de cablu. a2 vegetale: de in, de ricin, de tung. b. sintetice: clorurate, fluorurate, siliconice. C. SOLIDE: C1 ORGANICE: a. răşini: a1 naturale: şelacul, colofoniul (sacâzul), copalurile chihlimbarul. a2 sintetice: - de polimerizare: polistirenul, polietilena, policlorura de vinil PVC, politetrafluoretilena. 208

53 - de policondensare: fenoplastele, aminoplastele, poliamidele, poliesterii. - de poliadiţie: epoxidice, poliuretanice. b. materiale plastice: b1 presate b2 stratificate: pertinaxul (izoplacul), textolitul, sticlotextolitul, faneritul. c. pe bază de celuloză: c1 hârtie: pentru cabluri, pentru impregnare şi rulare, de tole, de telefonie, suport pentru produse de mică, acetilată. c2 cartonul electrotehnic (preşpanul) c3 lemnul c4 firele de ţesături textile d. lacuri: - de impregnare - de acoperire - de lipire - de are e. compunduri: - de impregnare - de umplere f. bitumuri: - naturale (asfalturi) - artificiale C2 ANORGANICE: a. sticla: - pentru condensatoare - pentru izolatoare - pentru lămpi electrice şi tuburi electronice - pentru are - de umplutură - pentru fibre - hârtia de sticlă b. mica: - muscovitul - flogopitul c. produse pe bază de mică: - micanita (de formare, flexibilă, de colector, de garnituri) - micafoliul - micabanda - micalexul - hârtia de mică - termomicanita - mica sintetică d. azbestul (serpentinul): - semitortul (roving) - ţesăturile de azbest - azbocimentul - banda de azbest - hârtia de azbest e. ceramica: - porţelanul 209

54 - steatita - ultraporţelanul - ceramica cu oxid de aluminiu - ceramica cu compuşi de titan 3.11 Cablaje imprimate Tehnologia a fost utilizată pentru prima dată în aparatura militară în 1945 şi a înlocuit treptat şi pretutindeni vechile modalităţi de conectare spaţiale cu conductori, introducând modificări importante în construcţia şi tehnologia echipamentelor electronice profesionale cât şi de larg consum. Principalele avantaje ale cablajelor imprimate CIM: - realizează o mare densitate de montare a componentelor, permiţând reducerea volumului şi greutăţii miniaturizarea; - asigură poziţionarea precisă şi fixă a componentelor şi a interconexiunilor acestora în circuite permiţând creşterea fiabilităţii în funcţionare şi reducerea/compensarea cuplajelor parazite dintre componente şi/sau circuite; - asigură o rezistenţă superioară a echipamentelor electronice la solicitările mecanice, termice şi climatice, îmbunătăţind mentenabilitatea acestora; - simplifică şi reduc durata operaţiilor de montaj, facilitând automatizarea acestora se asigură un înalt grad de reproductibilitate; - fac posibilă unificarea şi standardizarea constructivă a subansamblelor funcţionale din structura aparatelor, permiţând interconectarea simplă, rapidă, precisă şi fiabilă a acestora. Structura CIM Un CIM este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate pe unul, două sau mai multe plane paralele şi fixate (cu adezivi) pe suprafaţa unui suport electroizolant (dielectric) care asigură şi susţinerea mecanică a componentelor. Un CIM este deci un stratificat placat alcătuit din suportul electroizolant (stratificat) pe care se fixează placatul metalic, fixat de regulă cu adeziv. Denumirea de stratificat vine de la faptul că aceste plăci se realizează din materiale stratificate cu umplutură de hîrtie, fibre textile, fibre de sticlă sau teflon, impregnate cu diferite răşini sintetice termoreactive. Suportul electroizolant al CIM este realizat din materiale având proprietăţi fizico-chimice, electrice, mecanice şi termice adecvate: - rezistenţă mecanică pentru susţinerea circuitelor electronice, solicitări; - capacitatea de a absorbi cât mai puţină apă; - o comportare termică foarte bună: coeficient de dilatare termică mic, conductibilitate termică ridicată, rezistenţă la temperaturile de lipire; 210

55 - din punct de vedere electric trebuie să asigure: pierderi dielectrice mici în banda de lucru, rezistenţă de izolaţie mare, permitivitatea dielectrică să corespundă cerinţelor de utilizare; - rezistenţă la temperaturile de lucru şi lipire; - neinflamabilitatea (unele standarde impun şi autostingerea); - cost redus. La cablajele flexibile se impune: - flexibilitate foarte bună ; - coeficent de alungire la întindere cât mai mic şi rezistenţă la rupere foarte bună. Pentru CIM rigide, materialele cele mai utilizate sunt cele: - pe bază de textură de hârtie impregnată cu răşini fenolice stratificate fenolice PERTINAXUL, temperatura maximă de lucru 105 o C; - pe bază de textură din fibre de sticlă impregnată cu răşini epoxidice stratificate epoxidice, cu performanţe superioare, temperatura maximă de lucru 150 o C STECLOTEXTOLIT. - stratificate melaminice şi siliconice realizate similar cu cele anterioare, utilizînd ca material de impregnare răşini melaminice sau silicoorganice; - stratificate cu teflon materialul de bază se impregnează cu răşini fluorocarbonice care sunt ignifuge cu proprietăţi foarte bune pentru microunde. Pentru realizarea CIM profesionale sunt utilizate şi suporturi ceramice, care se fabrică pe bază de oxizi de aluminiu şi beriliu, materiale cu foarte bună rezistenţă la solicitări termice şi conductibilitate termică ridicată, dar cu o rezistenţă mecanică mai mică: - sunt casante, - se folosesc pentru cablaje multistrat realizate prin procedee de sinteză; - găurile se execută înainte de coacere. CIM flexibile utilizează drept suport materiale termoplaste ca ACLAR (max. 200 o C), TEFLON (max. 274 o C), KAPTON (max. 400 o C). Traseele conductoare se realizează din cupru electrolitic de înaltă puritate, de grosimi normalizate uzuale: 35 sau 70 m (105 m). În aplicaţii profesionale se pot utiliza şi Au, Ag sau Ni. Folia de Cu se acoperă cu o peliculă de cositor, de Au sau Ag. Adezivii utilizaţi pentru fixarea foliei de Cu pe suportul dielectric răşini speciale trebuie să reziste la temperatura de lipire şi să fie suficient de elastici. Cei mai uzuali: amestecuri de butinol polivinilici şi răşini fenolice sau cauciucuri nitrilice şi răşini fenolice cu diverse materiale de umplutură. Materialele de tip STECLOTEXTOLIT nu necesită adezivi. Clasificarea CIM După numărul planelor în care sunt amplasate traseele conductoare şi după caracteristicile mecanice ale suportului izolant, rigid sau flexibil, există: 211

56 a) cablaje simplu strat sau monostrat; b) cablaje dublu strat pentru echip. electronice profesionale; c) cablajele multistrat exclusiv pentru echip. electronice profesionale; d) cablajele cu suport flexibil au tendinţa de-a înlocui, în ultimul timp, atât CIM rigide cât şi formele de cablu (compuse din diferite tipuri de conductoare) care interconectează diferitele subansamble; avantaje: - sunt uşoare şi mai puţin voluminoase decît cele rigide; - permit realizarea unor densităţi mari de montaj şi obţinerea unei fiabilităţi superioare în exploatare; - formează un sistem de interconectare tridimensional, pot fi îndoite, răsucite, deplasate, pot avea orice geometrie. După modalitatea de realizare sunt: - cablaje cu găuri nemetalizate; - cablaje cu găuri metalizate; - cablaje cu contacte obţinute prin creşterea straturilor metalice. Din punct de vedere funcţional, prin tehnologia cablajelor imprimate se pot realiza: - conductoare imprimate, pentru conectarea diverselor componente fixe sau mobile; - componente imprimate de circuit ca rezistoare, condensatoare, bobine, linii cu constante distribuite, elemente pentru microunde; - subansamble pentru comutatoare mecanice, cu comutări complicate; - părţi componente pentru maşini electice (servomotoare, maşini speciale). Metode şi tehnologii de realizare a CIM Acestea pot fi grupate în trei mari categorii: a) metodele substractive de corodare: ce implică înlăturarea unor porţiuni din folia de Cu, pe cale chimică (prin corodare larg utilizate): metode fotografice, metode serigrafice şi metode offset sau pe cale mecanică (Anexa 3.A1); b) metode aditive de depunere: ce implică metalizarea unui semifabricat din material electroizolant neplacat: metoda electrochimică, metoda transferului, metoda arderii în cuptor, metoda pulverizării catodice şi termice etc. c) tehnologii de sinteză, în care şi conductorul şi izolatorul se realizează în aceeaşi etapă. Realizarea CIM monostrat prin metode de corodare Este metodologia de bază în realizarea CIM, transpunerea desenului pe folia de Cu realizându-se prin fotografiere sau prin serigrafie. Etapele principale de realizare a CIM: 212

57 - realizarea desenului de cablaj (la o scară mărită 2:1 pentru CIM normale şi 4:1 pentru CIM de mare fineţe) pe hîrtie specială, conform principiilor de proiectare a CIM. Traseele conductoarelor imprimate se desenează cu tuş negru (sau se realizează din elemente adezive, special concepute) manual sau automatizat (prin programe specializate), obţinându-se astfel originalul desenului CIM fotooriginalul. - reralizarea filmului fotografic fotoşablonul sau masca prin fotografierea fotooriginalului pe film de mare contrast şi cu reducerea corespunzătoare a formatului la scara desenului astfel încât negetivul foto obţinut să rezulte în mărime naturală; - transpunerea imprimarea imaginii cablajului de pe filmul fotografic pe suportul placat cu Cu prin metoda fotografică sau prin metoda serigrafică; - efectuarea unor prelucrări mecanice adecvate după realizarea corodării: găurire şi metalizare, decupare, debavurare etc. urmate de realizarea unei acoperiri de protecţie lăcuire. Metoda fotografică (pentru producţie de serie mică şi unicate) etape: - pregătirea suportului placat; - acoperirea suportului placat cu fotorezist; - developarea fixarea; - îndepărtarea fotorezistorului neimpresionat; - corodarea (imersia CIM într-o cuvă cu clorură ferică); - acoperirea de protecţie. Metoda serigrafică (larg utilizată, productivitate şi cost mic) etape: - pregătirea suportului placat; - realizarea sitei serigrafice (sau şablon o pînză cu ochiuri foarte fine); - acoperirea suportului placat cu cerneală serigrafică; - corodarea; - acoperirea de protecţie. Realizarea CIM multistrat practic, se utilizează două grupe de procedee de interconectare (numărul straturilor conductive între 4 şi 20): - procedeele chimice de galvanizare (peste 80% din realizări); - procedee mecanice sudură, lipire, nituire Condensatoare Capacitatea unui condensator şi clasificarea acestora Condensatorul este o componentă pasivă care, alături de rezistor, este utilizată frecvent în circuitele electronice. Constructiv, un condensator este alcătuit dintr-un mediu dielectric de permitivitate ε (constanta dielectrică de material) plasat între două armături metalice (conductoare) ca în fig

58 Fig.3.52 Condensator plan Dacă unui condensator i se aplică o tensiune continuă U, acesta se va încărca cu o sarcină Q, raportul dintre sarcina Q şi tensiunea U fiind o mărime constantă şi caracteristică pentru condensatorul considerat; acest raport defineşte capacitatea condensatorului: C Q / U (3.83) În regim armonic, condensatorul este componenta pentru care, dacă i se aplică o tensiune variabilă în timp u(t), între tensiunea aplicată şi curentul i(t) care străbate condensatorul, fig.3.53, există relaţia: Fig.3.53 Simbolul condensatorului şi mărimile măsurate la borne 1 ut v1t v2t itdt C (3.84) sau: dut it C (3.85) dt Se presupune un condensator ideal (fără pierderi, adică fără disipare de energie activă), deci caracterizat numai prin capacitatea C. Dacă u(t) este semnal sinusoidal, în regim permanent va avea expresia: u t U sin t (3.86) unde frecvenţa, perioada şi pulsaţia sunt legate prin relaţiile: f = 1/T şi ω = 2πf = 2π/T. Atunci curentul este: dut it C C U cost C U sin t / 2 (3.87) dt 214

59 Se observă că cele două mărimi sunt de aceeaşi formă, dar defazate cu un sfert de perioadă (curentul defazat înaintea tensiunii, ca în fig.3.54). Se mai spune că tensiunea este defazată în urma curentului cu un sfert de perioadă sau cu π/2. Fig.3.54 Relaţia tensiune-curent pentru un condensator de capacitate C Impedanţa condensatorului are un caracter preponderent capacitiv. Condensatorul de capacitate C introduce în circuit o reactanţă capacitivă măsurată în Ω: 1 1 X C C 2 fc (3.88) Unitatea de măsură pentru capacitate este faradul, cu simbolul F; se folosesc frecvent submultiplii săi: F 10 F, 1nF 10 F, 1pF 10 F (3.89) Pentru un condensator plan, capacitatea C este dată de relaţia: S S 0 r C (3.90) d d unde: - reprezintă permitivitatea absolută a dielectricului condensatorului; - 0 reprezintă permitivitatea absolută a vidului; 0 = 8, F/m; - r / 0 este permitivitatea relativă a dielectricului; - S = L l suprafaţa armăturilor; - d este distanţa dintre armături. Pentru un condensator cilindric, valoarea capacităţii se determină cu relaţia: 2 0 l r C, (3.91) ln b/ a 215

60 unde: 1- lungimea cilindrului, a - raza cilindrului interior, b - raza cilindrului exterior. Din relaţiile date se observă importanţa permitivităţii dielectricului în obţinerea unor condensatori de capacitatea dorită. Astfel, un condensator cu capacitatea C0 0 S / d, deci cu armăturile plane plasate în vid, va avea o capacitate de r mai mare decât C 0 dacă între armături se va plasa un dielectric caracterizat prin permitivitatea absolută 0 r : 0 rs C rc0 (3.92) d Clasificarea condensatoarelor se poate face după mai multe criterii: din punct de vedere constructiv, după natura dielectricului, al domeniului de frecvenţă, după domeniul de utilizare. Din punct de vedere constructiv există: - condensatoare fixe, care îşi menţin constantă valoarea capacităţii nominale în tot timpul funcţionării; - condensatoare reglabile (denumite şi semivariabile", ajustabile" sau trimere") ce se caracterizează prin faptul că valoarea capacităţii lor poate fi reglată în limite reduse (de regulă, la punerea în funcţiune sau la verificări periodice); - condensatoare variabile a căror capacitate poate şi trebuie să fie modificată frecvent între anumite limite relativ largi impuse de funcţionarea circuitelor electronice (de exemplu, cele de acord pentru radioreceptoare). În funcţie de natura dielectricului, condensatoarele pot fi : - cu dielectric gazos (aer, vid, gaze electronegative) - în această categorie intră condensatoarele reglabile şi variabile cu aer; când acestea sunt destinate funcţionării în regim de tensiuni ridicate (de ordinul KV), se folosesc ca dielectrici gaze electronegative sau incinte vidate; - cu dielectric lichid (ulei mineral sau ulei de transformator) - care sunt mai rar fabricate şi folosite la ora actuală; - cu dielectric solid anorganic (sticla, mica şi materialele ceramice) şi organic (hîrtia, pelicule sintetice nepolare - polistirenul, teflonul, politetrafluoretilena, polipropilena şi pelicule sintetice polare - polietilentereftalat, policarbonat, răşină poliamidică); - cu dielectric peliculă de oxizi metalici - condensatoarele electrolitice - care au dielectricul format dintr-o peliculă de oxid (A , Ta 2 0 5, Ti0 2 ), cei mai utilizaţi fiind oxizii de aluminiu şi tantal Parametrii condensatoarelor fixe, marcare Principalii parametri electrici ai condensatoarelor sunt: 216

61 Capacitatea nominală, C N [F]; reprezintă valoarea capacităţii condensatorului care trebuie realizată în procesul tehnologic şi care este înscrisă sau marcată pe corpul acestuia. Toleranţa, t [%]; reprezintă abaterea maximă a valorii reale a capacităţii faţă de valoarea ei nominală. Pentru condensatoarele cu C N 1 μf capacitatea nominală respectă valorile nominalizate din seriile E6, El2, E24, E48 cu toleranţele corespunzătoare acestor serii. Pentru C N > 1 μf, valorile nominale şi toleranţele depind de firma producătoare. Pentru condensatoarele electrolitice se dau de obicei toleranţe nesimetrice: (0%, +50%), (-10%, +30%), (-20%, +80%). Tensiunea nominală U [V]; este tensiunea continuă maximă sau tensiunea alternativă eficace maximă care poate fi aplicată continuu la terminalele condensatorului, în gama temperaturilor de lucru. Valorile tensiunilor de lucru sunt normalizate; uzuale sunt următoarele valori: 0, 12, 16, 25, 63, 70, 100, 125, 250, 350, 450, 500, 650, 1000 V. Rezistenţa de izolaţie, R iz [Ω], este definită ca raportul dintre tensiunea continuă aplicată unui condensator şi curentul care-1 străbate, la 1 minut după aplicarea tensiunii. În funcţie de tipul condensatorului (deci de natura dielectricului), rezistenţa de izolaţie poate varia între 100 MΩ şi 100 GΩ. Condiţiile în care se efectuează măsurătorile (tensiune, temperatură, umiditate) sunt specificate în catalog. Pentru condensatoarele cu C N > 0,1 μf se indică în locul rezistenţei de izolaţie, constanta de timp RC iz N (ce depinde de proprietăţile electrice ale dielectricului). Pentru condensatoarele electrolitice parametrul care interesează este curentul de fugă, I f, care reprezintă curentul ce trece prin condensator când acestuia i se aplică o tensiune continuă la terminale, curent măsurat după un timp t (1-5 minute) de la aplicarea tensiunii continue. Tangenta unghiului de pierderi, tgδ. Într-un condensator, din cauza pierderilor în dielectric şi în rezistenţa nenulă a armăturilor şi terminalelor se disipă putere activă. Tangenta unghiului de pierderi se defineşte ca raportul dintre puterea activă P a, care se disipă pe condensator şi puterea reactivă P r, a acestuia, măsurată la frecventa la care se măsoară şi capacitatea nominală: tg Pa / Pr (3.93) Un condensator este cu atât mai bun cu cât puterea activă disipată în el este mai mică. Dacă se consideră schema echivalentă serie sau paralel în care pierderile în condensatorul real sunt reprezentate prin rezistenţa r, fig.3.55, construind diagrama tensiune-curent se observă că unghiul de defazaj φ dintre tensiunea aplicată şi curentul care parcurge condensatorul este mai mic decât 90 (φ = 90 în cazul condensatorului ideal, fară pierderi). 217

62 Fig.3.55 Schema echivalentă a condensatorului: a.- serie şi b.- paral, diagrama fazorială şi definirea tangentei unghiului de pierderi Tangenta unghiului de pierderi pentru schema echivalentă serie este: Ur I r tgs rc (3.94) U 1 C I C Tangenta unghiului de pierderi pentru schema echivalentă paralel este: Ir U / r 1 tg P I C U / 1/ C rc (3.95) Complementul unghiului de defazaj este unghiul δ - unghiul de pierderi. Mărimea tangentei unghiului de pierderi depinde de natura dielectricului şi de procesul tehnologic al condensatorului considerat şi este de dorit să fie cât mai mică. Rigiditatea dielectrică reprezintă tensiunea maximă continuă pe care trebuie să o suporte condensatorul un timp minim (de obicei 1 minut) fară să apară străpungeri sau conturnări. Intervalul temperaturilor de lucru (T min - T max ) reprezintă limitele de temperatură între care condensatorul funcţionează timp îndelungat. In funcţie de natura dielectricului acest interval poate fi: (-10 C, +70 C) pentru condensatoarele cu polistiren şi cu hârtie cerată; (-40 C, +85 C) pentru cele cu mylar, ceramice, cu hârtie uleiată; (-25 C, +70 C) pentru cele electrolitice; (- 40 C, +125 C) pentru cele electrolitice şi cele cu tantal. Temperatura minimă T min şi temperatura maximă T max sunt prezentate de producător în cataloage prin intermediul categoriei climatice, care este de forma: N 1 N 2 N 3 şi unde N 1 este T min, N 2 este T max, iar N 3 este numărul de zile pentru care producătorul realizează verificările climatice ale componentei în anumite condiţii specificate în norme internaţionale. 218

63 Având în vedere condiţiile în care funcţionează circuitul, proiectantul va trebui să aleagă componentele astfel încât, în timpul funcţionării, temperatura corpului componentei T Comp. să fie cuprinsă în intervalul de temperatură (T min - T max ). Coeficientul de variaţie a capacităţii cu temperatura, este definit de relaţia: 1 dc 1/ o C C C dt sau 1 C C0 1/ o C C C0 T T (3.96) 0 în cazul unei variaţii liniare şi unde C 0 este valoarea capacităţii la temperatura T 0 iar C este valoarea capacităţii la temperatura T. Coeficientul de temperatură este exprimat tot mai frecvent în - părţi pe milion pe grad Celsius, definit astfel: 10 6 [ppm/ C]. Coeficientul de variaţie al capacităţii sub acţiunea altor factori (cum ar fi: umiditatea, tensiunea aplicată, durata de păstrare etc.), K p, este dat de relaţia: C2 C1 K p 100 % (3.97) C1 unde C 1 reprezintă valoarea condensatorului în condiţii normale de funcţionare iar C 2 este valoarea la care ajunge capacitatea condensatorului sub acţiunea factorului p. Simbolizarea, reprezentarea convenţională a condensatoarelor, în conformitate cu standardul român (SR) sau simboluri tolerate, este prezentată în fig Fig.3.56 Reprezentarea convenţională a condensatoarelor a fixe; b variabile; c semireglabile; d, f, g electrolitice; e de trecere Marcarea condensatoarelor se face în clar sau codificat, prin culori (inele, benzi sau puncte), prin simboluri alfanumerice, sau cod literal, 219

64 normalizate internaţional sau, uneori, specifice unui anumit producător. Indiferent de sistemul de marcare adoptat, caracteristicile ce se înscriu pe corpul condensatorului sunt: a) în mod obligatoriu, pe orice tip de condensator: - capacitatea nominală C N, cu unitatea de măsură (în clar, cod de culori sau literal); - toleranţa valorii nominale: în clar (în % sau în pf dacă C N 10 pf), în cod de culori sau literal; b) în mod obligatoriu pe unele tipuri de condensatoare: - polaritatea bornelor la condensatoarele electrolitice, în clar; - terminalul conectat la armătura exterioară la condensatoarele electrolitice sau cu hîrtie, în clar; - tensiunea nominală U N la condensatoarele electrolitice, cu hîrtie, cu film plastic, în clar, cod literal sau culori; - coeficientul de temperatură al capacităţii la condensatoarele ceramice, în cod de culori sau literal; c) în mod facultativ, în funcţie de producător se poate marca: firma, data fabricaţiei (an, lună), codul condensatorului (specific firmei), frecvenţa de lucru etc. Marcarea în codul culorilor este aplicată mai ales condensatoarelor ceramice. Citirea indicaţiilor colorate pentru condensatoarele ceramice tip disc" sau plachetă" se face începând de la terminale; pentru condensatoarele ceramice tip tubular" citirea se face de la inelul sau banda mai groasă sau mai apropiată de extremitatea corpului condensatorului Comportarea în curent alternativ a condensatoarelor Condensatorul - componentă ideală prezintă în curent alternativ o reactanţă capacitivă: XC 1/ C, iar defazajul dintre curentul I, care străbate condensatorul şi tensiunea alternativă aplicată U, este de 90, tensiunea fiind în urma curentului. Comportarea reală a condensatoarelor prezintă o schemă echivalentă ce va lua în considerare elementele parazite de tip inductiv şi rezistiv, elemente ce depind de structura constructivă, materialele folosite şi tehnologia de fabricaţie adoptată. Astfel trebuie să se ţină seama de o serie de considerente, cum ar fi: - terminalele şi armăturile, care sunt din Cu, Al, Ag sau aliaje, au o conductibilitate finită, deci vor prezenta o rezistenţă serie r S la trecerea curentului; - trecerea curentului prin terminale, armături şi prin dielectric crează un câmp magnetic, apare deci un efect de inductivitate care creşte odată cu frecvenţa; fenomenul este echivalat prin apariţia în schema echivalentă a unei inductanţe L. 220

65 - în general, se adaugă în paralel cu condensatorul C o rezistenţă R p care exprimă pierderile în dielectric; dacă tgδ ε este tangenta unghiului de pierderi datorate dielectricului, atunci: 1 R p Ctg (3.98) - materialele dielectrice (hârtia, materialele plastice) nu sunt izolatoare perfecte, prin dielectric trecând un curent rezidual (care oricât ar fi de mic, produce în timp descărcarea unui condensator, conducţia dieletricului); astfel, condensatorului ideal de capacitate C i se va adăuga în paralel o rezistenţă R iz, echivalentă acestui fenomen. În concluzie se poate da următoarea schemă echivalentă, valabilă pentru o clasă mare de condensatoare, prezentată în fig.3.57a. a. b. Fig.3.57 a. Schema echivalentă completă a condensatorului C; b. schema echivalentă serie Semnificaţia celorlalte elemente din fig.3.57a este următoarea: - r s rezistenţa armăturilor şi terminalelor; - L inductanţa armăturilor şi terminalelor; - R p rezistenţa de pierderi în dielectric; - R iz rezistenţa de izolaţie. Impedanţa condensatorului, reprezentat prin circuitul echivalent prezentat în fig.3.57a, în regim armonic, se poate scrie astfel: 1 Z rs jl 1 1 jc Rp Riz (3.99) 1 rs jl 1 1 jc 1 j CRp CR iz În relaţia (3.99) se fac următoarele notaţii: 1 tg - tangenta unghiului de pierderi în dielectric; CR p 221

66 1 CR Rezultă: iz tg - tangenta unghiului de pierderi în rezistenţa de izolaţie; iz 1 Z rs jl jc 1 jtg tgiz 1 jtg tgiz rs jl jc 1 tg tg 2 iz Cu notaţiile: Ce C 1 tg tg S e S 2 iz - capacitatea echivalentă, r C tg - tangenta unghiului de pierderi în rezistenţa serie, (3.100) tgc tg S tg tgiz - tangenta unghiului de pierderi totală în condensator, 1 r - pulsaţia de rezonanţă a condensatorului LC e relaţia (3.100) devine: 1jtg tgiz Z rs jl jc sau: 1 1 rs C e tg tg iz jl C jc e LCe tg S tg tg iz C jc e tgc 1 tgc 1 C C e e C C e e j j 2 1 LCe 1 r e e e 2 (3.101) 1 Z R ES jc (3.102) ES 222

67 Analizând expresia (3.102) a impedanţei Z, se observă că schema din fig.3.57a poate fi echivalată cu structura unei scheme echivalente serie, ca în fig.3.57b, cu următorii parametri: tgc Ce RES şi CES (3.103) 2 Ce 1 r Această modelare ne dă o imagine asupra comportării condensatorului în gama de frecvenţă. Din analiza relaţiilor (3.103) care dau elementele echivalente ale unui condensator real, se observă că atât capacitatea echivalentă cât şi rezistenţa echivalentă depind de frecvenţă. Astfel, se poate spune că doar la frecvenţe joase - FJ, depărtate de pulsaţia de rezonanţă, condensatorul prezintă capacitatea echivalentă C e ; pe măsură ce creşte frecvenţa, creşte şi capacitatea echivalentă sarie a condensatorului. Se observă că CES Ce C, valoarea condensatorului C ES fiind crescătoare până în apropierea frecvenţei de rezonanţă r, fig.3.58, după care condensatorul real pierzându-şi caracteristica de condensator. Este posibil ca, depăşind pulsaţia de rezonanţă caracterul capacitiv să se transforme în caracter inductiv (capacitate negativă). Fig.3.58 Variaţia cu pulsaţia a capacităţii echivalente serie Variaţia parametrilor echivalenţi este determinată însă de variaţia pierderilor în funcţie de frecvenţă. Expresia tangentei unghiului de pierderi intervenind atât în expresia părţii rezistive cât şi a părţii reactive a impedanţei echivalente, comportarea cu frecvenţa a condensatorului real poate fi estimată în funcţie de variaţia cu frecvenţa a factorului: tgc tg S tg tgiz, fig.3.59, unde δ este unghiul total de pierderi. De asemenea, pierderile de putere activă în condensator au ponderi diferite pentru fiecare tip de pierderi funcţie de frecvenţă, astfel: la frecvenţe joase predomină pierderile în rezistenţa R iz, la 223

68 frecvenţe medii predomină pierderile în în materialul dielectric, rezistenţa R p iar la frecvenţe înalte în R S, aşa cum se prezintă în fig Se reaminteşte că elementele componente ale schemelor echivalente se modifică cu frecvenţa, cu temperatura şi în timp. Fig.3.59 Variaţia cu frecvenţa a tangentei unghiului de pierderi Prin urmare, în funcţie de domeniul de frecventă al circuitului considerat se va alege tipul constructiv de condensator care oferă elementele parazite neglijabile în domeniul respectiv; la ora actuală, condensatoarele ceramice multistrat tind să înlocuiască condensatoarele ceramice simple, pe cele cu hîrtie sau cu folie de plastic, iar condensatoarele electrolitice cu tantal înlocuiesc condensatoarele electrolitice cu aluminiu. La condensatoarele electrolitice pierderile sunt mai mari, iar schema echivalentă se complică datorită electrolitului. Zgomotul condensatoarelor În anumite condiţii, condensatoarele pot fi sursă de zgomot. Acest zgomot produce erori în special în circuitele numerice; el nu influenţează, practic, comportarea circuitelor analogice. Principalele surse de zgomot în condensatoare sunt: - descărcările interne incipiente, care survin în interstiţiile ocupate de aer din materialul dielectric sau între armături şi dielectric, la câmpuri electrice intense (la o funcţionare în regim alternativ survin două asemenea descărcări pe perioadă); descărcările sunt favorizate şi de existenţa pe armături a unor proeminenţe ascuţite, în dreptul cărora câmpul este puternic neomogen; - variaţiile aleatoare de sarcină pe armături, care se datoresc adeziunii incomplete a armăturii pe dielectric (în special în cazul condensatoarelor cu mică sau ceramică argintate), în prezenţa unor dilatări termice sau şocuri mecanice; condensatoarele supuse unor cicluri de temperatură joasă-înaltă prezintă o pronunţată tendinţă spre o adeziune incompletă a armăturii pe dielectric; 224

69 - relaxarea dielectricului, care survine la dielectricii cu polarizare de orientare sau polarizare spontană; aceasta este, în special, sursa unui zgomot de impulsuri; - polimerizarea incompletă a dielectricilor organici, care poate continua în timp şi care este, de asemenea, sursa unui zgomot de impulsuri; - radiaţiile radioactive, radiaţiile Roentgen, lumina etc. produc ionizări care sunt surse de zgomot în dielectrici ca: mica, ceramicile cu polarizaţie neliniară, materiale sintetice organice; aceste zgomote sunt mai importante în cazul condensatoarelor cu capacităţi mici; - variaţia capacităţii sau rezistenţei de contact datorită unor şocuri mecanice sau dilatării termice. În general, în condensatoarele variabile intervin toate tipurile de surse de zgomot amintite, funcţie de tipul condensatorului variabil. Specific condensatoarelor variabile este zgomotul generat de angrenajul mecanic Tehnologii de realizare a condensatoarelor fixe Structura unui condensator Structura constructivă generală a unui condensator este prezentată în fig Fig.3.60 Structura constructivă generală a unui condensator Referitor la modul de aranjare a terminalelor există două mari clase de componente: cu terminale axiale, adică sunt plasate în lungul axei componentei şi radiale, practic de aceeaşi parte a capsulei componentei. În continuare se prezintă structura constructivă a principalelor tipuri de condensatoare. Condensatoarele cu hârtie Acestea se relizează prin bobinarea a două folii de aluminiu care alcătuiesc armăturile, separate de două sau mai multe folii de hârtie impregnate care constituie dielectricul.armăturile cu dimensiuni cuprinse între 5 şi 15 μm se pot plasa suprapuse bobinarea inductivă, fig.3.61 (efectul inductiv parazit la acest tip de bobinare este supărător la frecvenţe mai mari; deoarece armăturile se contactează de regulă într-un singur loc, acest fapt duce la circulaţia curentului 225

70 din punctul de contact cu armătura în lungul acesteia, care are formă de spirală, generând astfel fluxuri magnetice şi astfel inductanţă parazită foarte mare) sau decalate bobinare neinductivă, fig.3.62 (bobina astfel realizată se scurtcicuitează şi în acest fel efectul inductiv dispare; se realizează în acest mod o zonă care va fi metalizată şi care permite plasarea terminalelor). Fig.3.61 Condensatoare cu folii de aluminiu După bobinare, condensatoarele se impregneză cu dielectrici lichizi (ulei de condensator, triclordifenil etc.) sau solizi (parafină răşini epoxidice); prin această operaţie se determină creşterea rigidităţii dielectrice (eventualele incluziuni de gaze sunt înlocite cu impregnant). Condensatoarele sunt protejate prin mulare în compund epoxidic sau sunt introduse într-un tub de aluminiu etanşat cu răşină epoxidică sau cu rondele din pertinax cauciucat. Condensatoarele cu hârtie metalizată sunt caracterizate printr-o capacitate specifică mai mare, datorită faptului că armăturile sunt pelicule metalice (de obicei aluminiu) foarte subţiri (zecimi de micron) depuse în vid pe hârtia lăcuită în prealabil. Fig.3.62 Condensator cu folii metalizate (neinductiv) 226

71 Condensatoare cu peliculă din material plastic Cele mai întâlnite tipuri sunt cu polistiren (dielectric nepolar, caracterzat de o tangentă a unghiului de pierderi mică 10-4 ) cunoscuţi sub numele de stiroflex (fig.3.63) şi cele cu polietilentereftalat (dielectric polar, caracterizat prin pierderi în dielectric mari) cu denumirea comercială mylar (fig.3.64) sau pe scurt PET. Cele două au denumirile generice MKT, respectiv MKP. La această variantă de condensator, spre deosebire de condensatoarele cu folii, la realizarea bobinei se utilizează numai două folii metalizate cu un strat subţire de aluminiu, depus prin procedee de evaporare în vid. Datorită variantei de contactare cu metalizări la capete se obţin inductanţe parazite mici. Înainte de metalizare bobina se poate presa, rezultând o formă ce se poate introduce într-o carcasă paralelipipedică sau se poate mula în aceeaşi formă. Fig.3.63 Condensatoare cu polistiren (stiroflex) Fig.3.64 Condensator cu polietilentereftalat (mylar) Folia din material plastic nu prezintă puncte conductoare sau găuri microscopice şi de aceea se poate folosi un singur strat de dielectric; aceasta duce la creşterea capacităţii specifice a condensatorului şi la reducerea gabaritului său; de asemenea, rezistenţa de izolaţie obţinută este foarte mare. Folosind o tehnologie similară se obţin şi condensatoare cu dielectric polietilenă (dielectric nepolar) metalizată cât şi cu policarbonat (dielectric polar) metalizat. Condensatoarele ceramice Condensatoarele ceramice folosesc ca dielectric o ceramică formată dintr-un amestec de oxizi, silicaţi, titanaţi şi zirconaţi ai diferitelor metale, caolin, talc etc. În funcţie de compoziţie ceramica dielectrică poate fi: - ceramică de tip I, care are la bază titanaţii de magneziu şi calciu cu permitivitatea dielectrică ε r = 5 200; condensatoarele realizate cu acest tip de dielectric au o variaţie finită a capacităţii cu temperatura şi au tgδ mic; 227

72 - ceramică de tip II, pe bază de zirconaţi şi titanaţi de bariu sau stronţiu, are permitivitatea foarte mare, ajungând până la 15000, dar coeficientul de variaţie al capacităţii cu temperatura este nedefinit şi tgδ mai mare (cu cel puţin un ordin de mărime faţă de ceramica de tip I); - ceramică de tip III, are la bază compoziţii ale titanatului de bariu care pot fi transformate în semiconductor prin tratare termică; se obţine o permitivitate foarte mare peste (se foloseşte mai rar). Procesul tehnologic cuprinde următoarele etape: - ceramica dielectrică se obţine printr-un proces tehnologic propriu materialelor ceramice: substanţele sunt dozate, amestecate şi măcinate; pulberea se amestecă cu lianţi, se presează şi se supune unui tratament termic; se obţin astfel formele dorite pentru aceste condensatore: disc, plachetă sau tubulare, ca în fig.3.65, unde: Fig.3.65 Condensatoare ceramice monostrat (a) disc, (b) condensator plat - armăturile de Ag sau Al sunt depuse pe cele două părţi ale discului sau plachetei prin serigrafie, manual sau automat prin tratament termic; - urmează lipirea terminalelor printr-un proces tehnologic automat; - protejarea condensatoarelor se face prin acoperire cu un strat de răşină termodură, după care urmează marcarea în clar sau în codul culorilor. Condensatoarele ceramice multistrat Aceste condensatoare (fig.3.66 şi fig.3.67) sunt caracterizate de capacitatea specifică (capacitatea pe unitatea de volum) foarte mare; au dimensiuni mici şi valori nominale în limite largi (de la 3,3 pf la 1μF); datorită calităţilor, acestea tind să înlocuiască celelalte tipuri de condensatoare folosite în circuitele electronice. Materialul dielectric este o pastă de tip I sau II, care prin laminare pe suport, permite obţinerea unor folii ceramice foarte subţiri de dimensiuni relativ mari faţă de dimensiunile unui condensator multistrat finit şi care va contribui la formarea a n componente identice. Pe această folie se depune prin serigrafie o configuraţie de n pelicule de Ag-Pd care constituie o armătură a condensatoarelor. Pe o altă folie se depune o configuraţie similară ce va 228

73 constitui cealaltă armătură etc. Urmează suprapunerea foliilor în număr diferit de straturi, funcţie de valoarea capacităţii nominale de realizat, presarea foliilor, decuparea cip - urilor viitoarelor condensatoare şi fixarea proprietăţilor prin tratament termic. Prin metalizarea la extremităţile cip-ului se realizează o structură de condensatoare legate în paralel structură pieptene, fig.3.66a. Sub această formă de cip neprotejat, fig.3.66b, condensatorul este folosit în tehnologia straturilor groase (TSG) de realizăre a circuitelor hibride sau cel din fig.3.67a, în tehnologia SMD. Fig.3.66 Condensatoare ceramice multistrat a) secţiune; b) condensator "cip" neprotejat; c) condensator protejat Zona metalizată care scurtcircuitează armăturile stânga şi din dreapta serveşte pentru sudarea sau lipirea terminalelor din sârmă de Cu dublu cositorită. Condensatorul este protejat prin acoperire cu un strat de răşină epoxidică. Fig.3.67 Condensator ceramic multistrat a) pentru tehnologia SMD; b) cu terminale pentru inserţie 229

74 Condensatoare cu mică Mica este un material cu bune proprietăţi dielectrice folosit în prezent mai rar. Condensatoarele cu mică sunt plane, cu structură similară condensatorelor ceramice multistrat; armăturile din folii de staniu, cupru de mare puritate, aluminiu sau peliculă de argint sunt dispuse alternativ între straturile de mică, alcătuind o structură pieptene ; scurtcircuitarea la extremităţi a armăturilor impare şi respectiv pare asigură creşterea capacităţii totale şi contactarea terminalelor. Condensatoare cu sticlă Aceste condensatoare au ca dielectric sticla silicat cu conţinut mare de oxizi de bariu sau plumb. Foliile de sticlă au aproximativ 25 μm iar armăturile sunt din aluminiu sau aur. Şi aceste condensatoare se realizează sub formă plană sau multistrat Tehnologia şi parametrii condensatoarelor variabile Condensatoarul variabil reprezintă un condensator la care utilizatorul poate modifica capacitatea în mod continuu într-un anumit interval [C m, C M ] stabilit de producător. După rolul pe care-l au în circuitele electronice se clasifică în: - condensatoare variabile de control, utilizate pentru modificarea parametrilor unor circuite electronice în timpul utilizării aparaturii; (modificarea frecvenţei unui radioreceptor pentru acordul cu staţia de emisie, modificarea frecvenţei unui generator sinusoidal; modificarea capacităţii unui Q-metru pentru obţinerea rezonanţei cu inductanţa, etc.) - condensatoare variabile de ajustare, utilizate pentru reglarea la valoarea nominală a parametrilor unor circuite electronice; sunt utilizate pentru compensarea abaterii celorlalte componente de care depinde parametrul circuitului; au intervalul de capacitate [Cm, C M ] mult mai mic decât al celor de control; se întâlnesc şi sub denumirea de semivariabile sau trimere. Orice condensator variabil are două părţi componente esenţiale: una mobilă, numită rotor şi alta fixă, numită stator. Condensatoare variabile de control, în funcţie de tipul dielectricului, sunt cu aer sau cu dielectric solid (folii plastice polipropilenă, teflon). Condensatoarele variabile cu aer au structura prezentată în fig Fig.3.68 Condensatoare variabile cu aer 230

75 Armătura rotorului este formată din lamele de aluminiu sau alamă, suprapuse în plane paralele, contactate la un ax. Armătura statorului este realizată la fel ca cea a rotorului, lamelele fiind însă rigidizate şi contactate între ele prin plăci de legătură. Şasiul este format din plăci de nichel, conectate între ele cu ajutorul unor bare. Axul cu ajutorul căruia se roteşte rotorul este fixat la şasiu pe bile sau lamele elastice. Atât rotorul, cât şi statorul sunt izolate electric de şasiu cu ajutorul unor plăcuţe ceramice siliconice (eventual rotorul poate fi conectat la şasiu). Pentru o delpasare mai fină a rotorului se utilizează un angrenaj de demultiplicare acţionat de un ax de comandă. Condensatoarele cu aer pot avea una, două, trei sau patru secţiuni. Secţiunile pot avea acelaşi stator sau stator independent. Secţiunile pot fi conectate în paralel sau pot fi utilizate în circuite diferite. Se poate considera că aceste condensatoare cu aer au o structură de tip multistrat. Dacă rotorul are n lamele şi statorul n+1, rezultă capacitatea condensatorului: C 2nC0, (3.104) unde C 0 este capacitatea între două lamele succesive (rotor - stator). În acest fel deşi permitivitatea relativă a aerului este mică (ε r 1) rezultă totuşi o capacitate relativă mare. În afara parametrilor specificaţi condensatoarelor fixe, cele variabile prezintă şi anumiţi parametrii specifici: - Capacitatea nominală. Condensatoarele variabile prezintă o capacitate nominală minimă C m şi una maximă C M. Capacitatea minimă C m reprezintă capacitatea condensatorului corespunzătoare deplasării minime a rotorului faţă de stator. Chiar dacă armăturile rotorului şi statorului nu se mai suprapun, C m nu este zero, datorită distanţei mici între rotor şi stator, C m este în general de 10-25pF pentru o secţiune. Conectând în paralel n secţiuni (n 4), C m va creşte de n ori, (maxim pF). Capacitatea maximă C M, reprezintă capacitatea condensatorului corespunzătoare deplasării maxime a rotorului faţă de stator. În funcţie de dimensiuni, C M pentru o secţiune poate lua valori de 250pF...640pF. Prin conectarea în paralel a n secţiuni (n 4), C M va creşte de n ori. - Toleranţa capacităţii poate fi determinată cu relaţia: t 0,7 0,11 C C /100 % (3.105) m M - Coeficientul de variaţie cu temperatura al capacităţii este dependent de capacitate, depinzând în special de modificările armăturilor cu temperatura. Pentru C M poate ajunge la ppm/ C pentru o secţiune. - Tensiunea nominală este, de asemenea, dependentă de capacitate, fiind invers proporţională cu aceasta. La C M, V N este V. ceas. - Unghiul de rotaţie maxim ϕ M, poate fi de 180 sau Direcţia de rotaţie în sensul creşterii capacităţii este conform acelor de 231

76 - Rezistenţa de izolaţie între stator - rotor, între şasiu - stator, şasiu rotor este în general, R iz > 10GΩ. - Rezistenţa de contact între elementele metalice contactate este R k < mΩ. - Capacitatea parazită între două secţiuni de stator C ps < 0,02 pf şi între două secţiuni de rotor C pr < 0,05 pf. - Toleranţa capacităţii unei secţiuni a condensatorului faţă de o altă secţiune este mai mică decât ± 0,7%. - Categoria climatică 40 / 85 / Tangenta ungiului de pierderi tgδ este, de asemenea, dependentă de capacitate, putând ajunge la Atât tgδ cât şi α TC sunt influenţate de umiditate, crescând cu aceasta. - Legea de variaţie a capacităţii condensatorului este o funcţie de forma: C f C, C, (3.106) m M ce exprimă modul de variaţie al capacităţii condensatorului în funcţie de poziţia relativă ϕ a rotorului faţă de stator. Legea de variaţie a unui condensator variabil (liniară, logaritmică etc.) este aleasă în concordanţă cu circuitul în care este utilizat. Condensaroarele variabile cu aer sunt condensatoare de înaltă precizie, având o bună stabilitate a capacităţii cu frecvenţa, temperatura, tensiunea, au pierderi mici, o bună rezoluţie de reglaj. Sunt utilizate până la frecvenţe de sute MHz. Condensatoarele variabile de control cu dielectric solid prezintă o capacitate specifică mai mare, fiind de dimensiuni mai mici. Se utilizează ca dielectric folii de materiale termoplaste: polipropilenă, teflon (PTFE), policarbonat. Au capacitatea maximă C M mai mică şi parametrii mai slabi decât cele cu aer. Se utilizează în general în radioreceptoare de calitate mai slabă. Au o structură multistrat plană, structura constructivă fiind prezentată în fig Parametrii condensatorului depind de tipul de dielectric utilizat. Fig.3.69 Condensator variabil de control cu dielectric solid 232

77 Condensatoare variabile de ajustare (semivariabile sau trimere) Sunt utilizate pentru reglarea la valoarea nominală a unor parametrii ai circuitelor electronice, în special pentru reglarea la valoarea nominală a frecvenţei de rezonanţă a circuitelor oscilante LC, utilizate în diverse tipuri de circuite. Scopul este de fapt de a compensa abaterea inductanţei inductorului conectat în serie sau în paralel cu condensaroarele. De asemenea, mai sunt utilizate pentru conectarea în paralel cu condensatoarele variabile de control, în scopul obţinerii unei rezoluţii de reglaj mai bună. Din punct de vedere al dielectricului utilizat se împart în două categorii: - condensatoare variabile de ajustare cu ceramică, ce utilizează ca dielectric ceramica de tip I, cu coeficient de variaţie cu temperatură definit; având în vedere forma constructivă, pot fi de tip disc sau tubular; - condensatoare variabile de ajustare cu folii din materiale termoplaste. Condensatoare variabile de ajustare ceramice de tip disc au soluţia constructivă prezentată în fig Fig.3.70 Secţiune printr-un trimer ceramic de tip disc 1- pivot; 2 - sudura pivot-rotor; 3 - armatura rotor; 4 - rotor; 5 - armatura stator; 6 stator; 7 - rondela de cauciuc siliconic; 8 - cosa dublă; 9 - contact stator (cosa simplă); 10 - arc Rotorul, sub formă de disc, este realizat din ceramică de tip I, fiind dielectricul condensatorului. Armătura rotorului este din pastă de Ag, depusă prin pulverizare pe o faţă a rotorului, sub formă de sector de cerc. Statorul se realizează din ceramică de tip steatit, foarte importantă fiind stabilitatea termică dimensională. Armătura statorului este din Ag depusă prin serigrafie sub formă de sector de cerc. Rotorul se deplasează circular, cu ajutorul unei şurubelniţe, prin intermediul unui ax. Condensatoarele ceramice disc pentru ajustare au C m / C M, de la 3 / 10 pf la 10/ 60 pf, tensiunea nominală 160V, 250V, 350V. Tangenta unghiului de pierderi tgδ < rezistenţa de izolaţie R iz > 3GΩ, momentul de rotaţie gf/cm. Se utilizeză dielectric de tip: N150, N750, N1500. Condensatoare variabile de ajustare ceramice de tip tubular au forma constructivă prezentată în fig Dielectricul se realizează din ceramică de tip I sub formă de tub. În exteriorul tubului ceramic se depune armătura stator din Ag, sub formă tubulară. Rotorul este un şurub metalic ce se deplasează elicoidal în interiorul tubului ceramic. 233

78 Se utilizează dielectric de tip N200, N300. Au capacitatea C m / C M de la 0,3 / 1,5pF la 1 / 12 pf, tensiunea nominală 400V, 500 V. Categoria climatică este 50/100/21, tangenta unghiului de pierderi tgδ , rezistenţa de izolalaţie R iz > 10GΩ. Fig.3.71 Condensator variabil de ajustare ceramic de tip tubular Condensatoarele variabile de ajustare cu dielectric sub formă de folii din materiale termoplaste au structura constructivă din fig Armătura stator este formată din 3-4 lamele metalice semicirculare suprapuse, susţinute mecanic de un corp din material plastic. Armătura rotor este formată din 2-3 lamele metalice semicirculare contactate la un ax. Dielectricul este sub formă de folii, utilizându-se: polietilenă, polipropilenă, policarbonat, teflon (PTFE). Fig.3.72 Condensator variabil de ajustare cu dielectric termoplast Parametrii condensatorului depind de tipul de dielectric utilizat. Se obţin capacităţi C m / C M de la 1,5 /5 pf la 11 /120 pf, tensiunea nominală de 150V, 250V. Categoria climatică: 40/70/21, 40/85/21, 40/125/21. Condensatoarele variabile de ajustare sunt caracterizate de aceeaşi parametrii ca şi condensatoarele variabile de control. Legea de variaţie a capacităţii cu poziţia relativă a rotorului faţă de stator este liniară Tehnologia condensatoarelor electrolitice Tendinţa continuă de miniaturizare a aparaturii electronice impune, pentru condensatoarele de valori mari (peste 1 nf) utilizarea unor tipuri caracterizate 234

79 printr-o valoare ridicată a raportului dintre capacitate şi volumul condensatorului (raport numit capacitate specifică). În prezent, aceste condensatoare sunt realizate cu valori ale capacităţii cuprinse între 50 nf şi µf, într-o gamă de tensiuni nominale extinsă până la 500 V cc, cu dimensiuni proporţionale cu produsul capacitate tensiune pentru aceiaşi tehnologie: condensatoarele subminiatură pentru circuite hibride au dimensiuni comparabile cu cipurile de circuite integrate. Aceste condensatoare îndeplinesc de obicei funcţia de filtrare a tensiunilor (rezervor de energie) sau cuplare decuplare a semnalelor de frecvenţe joase. Condensatoarele electrolitice reprezintă o categorie specială în cadrul condensatoarelor, deoarece funcţionarea lor se bazează parţial pe procese electrochimice, ceea ce impune cunoaşterea modului de realizare al acestora. Fiind polarizate, borna pozitivă se va numi anod, iar cea negativă catod. Cele mai întâlnite tipuri sunt cele cu oxid de aluminiu şi pentaoxid de tantal şi mai recent pentaoxid de niobiu. a. Condensatoarele electrolitice cu aluminiu Condensatoarele electrolitice cu aluminiu sunt condensatoare de mare capacitate (1-3300μF), având ca dielectric o peliculă foarte subţire de oxid de aluminiu (Al 2 O 3 ). Rigiditatea dielectrică ridicată (1000 KV/mm) a oxidului de aluminiu, asigură obţinerea unei capacitaţi specifice mari (1000 μf/cm 3 ), a unor tensiuni de lucru nominale U n =(3-500)V, într-un domeniu de temperaturi cuprins între (-40,+85) o C. Condensatorul electrolitic cu aluminiu (fig.3.73) are conductibilitate ionică, ceea ce face să fie polarizat, adică poate lucra numai in circuite de curent continuu, sau în circuite în care există o componentă de curent continuu, superioară ca mărime componentei alternative. Acestea prezintă o borna (+) şi una (-) şi trebuie conectate în mod corespunzător în schema de utilizare, respectându-se strict polaritatea marcată sau recunoscută (de obicei catodul este conectat la carcasă). O polarizare incorectă poate duce la deteriorarea peliculei de Al 2 O 3 şi deci a condensatorului, deoarece contactul metal-oxid (Al-Al 2 O 3 ) are proprietaţi semiconductoare şi o polarizare inversă a condensatorului (polarizare directă a joncţiunii metal-oxid) ar putea duce la o creştere excesivă a curentului prin condensator. Fig.3.73 Condensator electrolitic cu aluminiu 235

80 Prin cuplarea a două condensatoare în serie, spate în spate prin catozi, se poate obţine un condensator nepolarizat care poate fi utilizat şi în curent alternativ, de joasă frecvenţă, ( ) Hz, fără componenta continuă (fig.3.74). Fig.3.74 Obţinerea unui condensator nepolarizat Structura de detaliu a unui condensator electrolitic cu aluminiu (ELCO) este prezentată în fig.3.75 şi cuprinde: - folia anodică (electrod +), formând una din armături; - stratul de Al 2 O 3 (cu grosimea de μm), care acoperă folia anodică, având rol dielectric, adică rol de dielectric cu proprietăţi semiconductoare; - soluţia de electrolit, având rolul celei de a doua armături; - folia catodică, având rolul de a asigura contactul electric dintre soluţia de electrolit şi borna catodică (electrod -); - carcasa (capsula), având rol protector (şi totodată contact catod, dacă este din aluminiu); - terminale, pentru conectarea componentei în circuit. Fig.3.75 Structura condensatorul electrolitic cu aluminiu a - principiu de realizare; b - structura constructiva; c - varianta de încapsulare Armătura catodică a acestor condensatoare este reprezentată de un electrolit, care permite contactul cu stratul foarte subţire de oxid, dar care nu are o rezistenţă foarte mică, cum ar fi ideal. De aici rezultă şi parametrii condensatoarelor electrolitice care sunt net inferiori celorlalte categorii de condensatoare. Totuşi, datorită valorilor mari ale capacităţii care se pot obţine condensatoarele electrolitice sunt astăzi indispensabile în aparatura electronică. Astfel, fiabilitatea condensatoarelor electrolitice este mai redusă decât a altor componente electronice pasive, ceea ce înseamnă că acestea se defecteză mai rapid. Cauzele defectelor sunt: depăşirea tensiunii nominale, încălzirea 236

81 excesivă datorită pierderilor (tgδ este mare), pierderea electrolitului datorită etanşării imperfecte, lucrul la temperatură, umiditate sau tensiune mai ridicată, depozitare îndelungată. Modul de manifestare al defectelor este diferit: străpungere, explozie (spargerea carcasei), sau pur şi simplu creşterea curentului de fugă şi scăderea capacităţii (uscare = devalorizare), ceea ce face ca, condensatorul să nu-şi mai îndeplinească corect rolul în circuit. Pe lângă acestea, mai prezintă şi un efect inductiv datorat modului tehnologic de realizare, precum şi incapacitatea de a lucra în curent alternativ mare (peste 0,7 V amplitudine). Obs. Condensatoarele de capacitate mare încărcate nu se descarcă prin scurtcircuitare din cauza valorii mari a curentului ce ia naştere şi care poate distruge armăturile, punctele de conectare a terminalelor etc. Curentul de descărcare trebuie limitat cu rezistoare. În mod curent se produc condensatoare electrolitice în gama de valori nominale de la 0,22 µf la µf, având tensiuni nominale cuprinse între 6,3 V şi 450 V. Sunt produse trei categorii de condensatoare electrolitice: simple, multiple şi nepolarizate. Marcarea condensatoarelor se face în clar, pe corpul lor fiind specificate: firma producătoare, codul de catalog, capacitatea nominală, tensiunea nominală, data de fabricaţie, alte informaţii referitoare la polaritatea terminalelor. Codul de catalog este format din două litere şi un grup de patru cifre. Literele au următoarea semnificaţie: EG condensator de capacitate specifică ridicată; EN condensator electrolitic nepolarizat; EM condensator electrolitic nepolarizat pentru pornire motoare; EF, EP condensatoare electrolitice destinate pentru sursele de putere din echipamentele de tehnică de calcul şi pentru stocarea energiei în sistemele cu funcţionare în comutaţie. Primele două cifre reprezintă codificarea familiei tehnologice iar următoarele două codifică tipul capsulei. b. Condensatoare electrolitice cu tantal Condensatoarele cu tantal solid sunt produse în gama de valori nominale de la 0,1 µf la 680 µf şi tensiuni nominale de 3, 6.3, 10, 16, 20, 25, 35, 40, 50 şi 63 V. Se produc în trei variante: CTS-P cu terminale de implantare, numite şi condensatoare tip picătură; CTS-T cu terminale axiale şi capsulă metalică cilindrică etanşată cu sticlă (pentru aplicaţii militare şi industriale), CTS-T cu terminale axiale şi capsulă cilindrică etanşată cu răşină epoxidică (pentru aplicaţii de uz general). Au avatajul că oferă capacităţi mai mari la un volum mai mic, dar sunt însă mai scumpe. În fig.3.76 sunt prezentate tipuri constructive de condensatoare cu tantal. Fig.3.76 Tipuri constructive de condensatoare cu tantal 237

82 Condensatoarele ELTA, fabricate de "Tehnoton" - Iaşi, sunt de uz general sau profesional şi fac parte din categoria condensatoarelor electrolitice cu anod sinterizat şi electrolit solid. Structura unui condensator tip ELTA, fig.3.77, este următoarea: - armătura anodică - un corp cilindric, sinterizat din pulbere de tantal; - dielectric - o pelicula de pentaoxid de tantal, Ta 2 O 5, cu grosimea de μm, ce acoperă granulele blocului anodic pe întreaga suprafaţă, având proprietăţi semiconductoare (condensator polarizat); - armătura catodică - o succesiune de straturi de dioxid de mangan, MnO 2, depuse peste întreaga suprafaţă a dielectricului. Contactarea electrolitului solid (MnO 2 ) se realizează prin intermediul unui strat de grafit argintat, la care se conectează prin lipire terminalele argintate. Capacitatea specifică la ELTA este de câteva ori mai mare decat la ELCO. Fig.3.77 Condensatorul electrolitic cu tantal 1 - terminal anodic; 2 port-anod; 3 - anod sinterizat; 4 - strat MnO 2 ; 5 - strat de grafit; 6 - strat de Ag; 7 - terminal catodic; 8 - sudură; 9 - lipitură; 10 - răşina La condensatoarele electrolitice se marchează în clar valoarea nominală în μf şi tensiunea nominală în volţi. Condensatoarele electrolitice cu niobiu au performanţe similare celor cu tantal şi au fost dezvoltate în special în scopul evitării arderii condensatoarelor în caz de scurtcircuit. De exemplu, cele de la firma AVX au culoarea portocalie, fiind uşor de deosebit de cele cu tantal. În Anexa 3.A4 sunt prezentate tipuri constructive de condensatoare Anexe 3.A1 Aplicaţii ale ceramicei piezoelectrice Materialele electroceramice joacă un rol important în ingineria electrică şi constituie o largă familie cu îndelungate tradiţii şi cu mari perspective. Marea familie a electroceramicelor include o lungă listă de subfamilii: materialele izolatoare; condensatoarele; feritele; termistoarele (NTC) şi (PTC); 238

83 ceramicele piezoelectrice; ceramicele piroelectrice; carcasele şi capsulele ceramice; substraturi şi căptuşelile ceramice; ceramica optică; varistoarele; ceramicele pentru microunde; conductoarele optice; superconductoarele. Având în vedere aplicaţiile practice, în continuare se vor prezenta pe scurt ceramicele piezoelectrice utilizate în realizarea dispozitivelor cu undă elastică de volum şi de suprafaţă. Rezonatorul piezoelectric Este o componentă cu rezonanţă mecanică, echivalentă cu un un circuit rezonant electronic. Prezintă o rezonanţă serie şi una paralel, cu factor de calitate foarte mare (de ordinul miilor). Mai are proprietatea unei stabilităţi foarte bune a frecvenţelor de rezonanţă. Este folosit ca dipol rezonant în oscilatoare care au nevoie de stabilitate bună a frecvenţei (în circuitele de telecomunicaţii, în calculatoare, în microcalculatoarele cu scop industrial, în toate ceasurile digitale). Prima variantă tehnologică a fost o lamă tăiată dintr-un cristal de cuarţ, pe feţele căreia au fost depuse contacte metalice. Din acest motiv, mulţi practicieni numesc cuarţ orice rezonator piezoelectric. În prezent, se fabrică rezonatoare şi din ceramice piezoelectrice, cu proprietăţi similare cu ale cuarţului. Circuitul electronic echivalent al cristalului şi variaţia reactanţei sale sunt prezentate în fig.a1.1. Capacitatea paralel corespunde, în mare măsură, capacităţii parazite a electrozilor metalici depuşi pe suprafaţă. Celelalte elemente ale circuitului echivalent nu au un corespondent electric în rezonatorul fizic, ele sunt doar un model al comportării rezonante. Frecvenţele de rezonanţă sunt foarte apropiate între ele (sute de Hz). Principalii parametri ai dipolului rezonant sunt: - frecvenţa de rezonanţă serie; - distanţa între frecvenţele de rezonanţă ; - stabilitatea frecvenţei de rezonanţă (dată în ppm/oră sau ppm/an); - dispersia frecvenţei pentru un lot de cristale. Fig.A1.1 Circuit echivalent şi variaţia reactanţei unui cristal piezoelectric Pentru multe produse de acest tip, abaterea relativă a frecvenţei pe termen scurt sau lung nu depăşeşte 1/ , motiv pentru care marcarea pe capsulă a 239

84 frecvenţei de 10 MHz poate apărea astfel: MHz (a fost folosit punctul zecimal). Zerourile nesemnificative au drept scop indicarea erorii maxime admise (în acest exemplu, se subînţelege că frecvenţa nu va ieşi din intervalul MHz MHz). Filtru trece bandă cu unda de suprafaţă În afară de utilizarea ca dipol rezonant, dispozitivele piezoelectrice se mai folosesc ca filtre trece bandă, având caracteristica amplificare-frecvenţă din fig.a1.2a. Un circuit echivalent aproximativ al rezonatorului este cel din fig.a1.2b, în care circuitele rezonante sunt acordate pe frecvenţa centrală a benzii de trecere. (În realitate, strcutura echivalentă este puţin mai complicată, întrucât trebuie să asigure şi lăţimea de bandă de trecere.) Aceste dispozitive sunt pasive, au trei terminale, volum foarte mic şi o bună stabilitatea a proprietăţilor de filtrare. Sunt utilizate în circuitele de frcvenţă intermediară din radioreceptoare MF (10,7 MHz), din canalul de sunet al televizoarelor (5,5 sau 6,5MHz). Principalii parametri sunt: frecvenţa centrală şi lăţimea benzii de trecere. a b Fig.A1.2 Caracteristica amplificare-frecvenţă a şi un circuit echivalent al filtrului trece-bandă b Dispozitivul electric utilizează unda elastică de suprafaţă de tip Rayleigh, care este o undă polarizată eliptic şi puternic atenuată în adâncime. În fig.a1.3a este reprezentată reţeaua cristalină distorsionată de unda Rayleigh. Punctele materiale ale stratului superficial suferă deplasări longitudinale, paralele cu suprafaţa monocristalului şi transversale. Propagarea este direcţională, nedispersivă, iar viteza de propagare este mai redusă decât a undelor de volum. Un semnal electric sinusoidal aplicat traductorului interdigital emitor, realizat prin depuneri metalice pe un substrat de niobat de litiu (fig.a1.3b), determină apariţia în substrat a unui câmp electric în planul xoy, care produce deplasarea punctelor materiale (fig.a1.3c). Traductorul receptor efectuează conversia în sens invers (fig.a1.3d). Traductoarele sunt conectate la sursa de semnal, respectiv la consumator, prin reţele de adaptare. Undele de suprafaţă produse de secţiunile vecine ale traductorului interdigital se vor impune în fază numai dacă perioada structurii interdigitale este egală cu lungimea de unda λ 0. Astfel conversia mărimii electrice în marimea elastică şi invers este o conversie selectivă iar filtrul trece bandă are caracteristica atenuare frecvenţă cu fronturi abrupte. Domeniul de utilizare este cuprins între sute de MHz şi GHz. În acelaşi 240

85 mod se pot realiza filtre adaptate pentru recunoaşterea unui semnal modulat în frecvenţă. Fig.A1.3 Reprezentare pentru unda Rayleigh pe suprafaţa unui monocristal (a); traductor interdigital (b),(c) şi filtru cu undă de suprafaţă (d) 3.A2 Tehnologii substractive de realizare a cablajelor imprimate Tehnologiile din această categorie sunt cele mai răspândite pentru fabricarea cablajelor pe suport rigid: - pe placa cu forma dorită se imprimă desenul cablajului; - înlăturarea cuprului din regiunile ce vor fi izolatoare se face prin corodare chimică cu substanţe acide. a. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, cu imprimare a desenului în imagine pozitivă Aceste tehnologii se folosesc pentru cablaje mono sau dublustrat, când nu se prevede acoperirea cu metale de protecţie a conductoarelor sau când această metalizare urmează să se facă după executarea cablajului. Principalele etape ale procesului sunt: suportul, folia de cupru, cerneală de protecţie la coroziune, mască selectivă, lac de protecţie la oxidare. Plecând de la un semifabricat placat, cu suprafaţa pregătită (bine curăţată) se imprimă desenul cablajului în pozitiv; viitoarele conductoare sunt acum acoperite cu cerneală (lac) rezistentă la acizi. După uscare, se trece la corodarea în băi cu soluţii acide care atacă cuprul neprotejat, apoi, placa se curăţă bine (decontaminare) pentru înlăturarea agentului corodant şi a produşilor de corodare. Urmează înlăturarea cernelii protectoare prin spălare cu un diluant potrivit, după care se execută diverse prelucrări mecanice (decupări, tăieri, găuriri etc). Pentru evitarera oxidării suprafeţei conductoarelor, cablajul se acoperă cu lacuri de protecţie care servesc şi ca fondanţi pentru lipire. Deseori, înainte de 241

86 aceasta se execută o acoperire cu lac termorezistent, lăsând libere numai porţiunile în care urmează a se face lipituri, se obţine o mască selectivă de lipire. Procedeul este printre cele mai ieftine şi cele mai productive, asigură o calitate satisfăcătoare a cablajelor necesare în numeroase aplicaţii în electronica de larg consum, aparate de măsură şi control, telecomunicaţii etc. b. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu găuri nemetalizate, imprimare în negativ a desenului şi metalizarea conductoarelor În multe aplicaţii este necesară protejarea conductoarelor cu acoperiri metalice, capabile să asigure o bună lipire şi rezistenţă la factori de mediu agresive. În acest caz se recurge la procedeul: suport, folia de cupru, lac protector, metalizarea rezistentă la acizi, masa selectivă. Desenul cablajului se imprimă în negativ, cerneala protectoare acoperind porţiunile ce vor fi izolatoare (între conductoare). Aplicarea galvanică a metalului protector se face în băi de electroliză sau prin ştergerea cu un burete (tampon) îmbibat cu soluţia potrivită şi conectat la un pol al sursei de curent; celălalt pol fiind conectat la folia de cupru. După îndepărtarea cernelii protectoare se corodează, apoi se decontaminează. Circuitul se poare acoperi cu o masă selectivă de lipire; alte acoperiri nu mai sunt necesare. Tehnologia descrisă, mai îndelungată şi mai scumpă, asigură o calitate superioară a cablajelor, în principal datorită metalizării conductoarelor. Se foloseşte în electronica profesională pentru aparate care urmează să lucreze în condiţii dificile. c. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor imprimate cu găuri Procedeele descrise la puctele 1. şi 2. se pot folosi cu bune rezultate şi la cablajele dublu strat. La acestea din urmă este necesară metalizarea găurilor pentru a asigura un contact bun între traseele de pe o faţă şi alta, o calitate superioară a lipiturilor, o fixare mecanică mai bună a terminalelor şi, în final, o siguranţă sporită în exploatare. Pentru a obţine cablaje cu găuri metalizate se utilizează procedeul: suport, folia de cupru, pastă aderentă, cupru depus chimic, lac protector, cupru depus galvanic, metalizare, masă selectivă. După găurire şi curăţirea găurilor (înlăturarea şpanului, şlefuirea interiorului etc.), întreaga suprafaţă şi mai ales interiorul găurilor se acoperă cu o pastă, capabilă să asigure o bună aderenţă a cuprului depus chimic. În continuare se depun chimic, prin reducerea unor săruri, un strat foarte subţire (1-5 μm) de cupru. Se acoperă cu cerneală rezistentă la acizi porţiunile izolante şi se trece la formarea pe cale electrolitică, a unui strat de cupru gros (zeci - sute de μm) care acoperă şi pereţii găurilor. Acest strat este aderent, cu proprietăţi electrice şi mecanice; stratul de cupru depus chimic asigură conductibilitatea necesară 242

87 pentru electroliză. După înlăturarea lacului protector se corodează folia de cupru, se decontaminează şi se execută şi decupajele care nu necesită metalizare. Se depune masca selectivă de lipire. Cablajele astfel realizate se utilizează numai, în aparatura profesională cu performanţe ridicate: tehnică de calcul, electronică militară, aparatură pentru aviaţie şi cercetarea spaţiului cosmic. d. Tehnologii substractive de fabricaţie a cablajelor multistrat Cablajele multistrat sunt formate din conductoare plasate în mai multe plane, separate prin straturi de folii izolatoare. Foliile izolante pot fi foarte subţiri deoarece proprietăţile mecanice sunt determinate de grosimea ansamblului şi calităţile adezivului. La cablajele multistrat, cel mai utilizat material este semifabricatul placat pe una sau ambele feţe, cu support din fibră de sticlă impregnată cu răşină epoxidică. Se folosesc şi folii termoplaste care permit îngroparea conductoarelor imprimate. După corodarea pe o adâncime foarte mică a izolatorilor din interiorul găurilor se trece la metalizarea acestora. Pentru poziţionare corectă a plăcilor se folosesc tije, ştifturi sau prezoane de ghidare. Găurile se fac după terminarea acestor procese, folosind maşini de găurit în coordonate, comandate de calculator. Dintre metodele de realizare a contactului electric între conductoare din diferite straturi, cea mai folosită este metoda metalizării găurilor. Tehnologia realizării cablajelor multistrat necesită utilaje foarte scumpe, un control riguros în toate fazele, accesibilă numai marii industrii; nu se pot realiza prin metode artizanale. SMD 3.A3 Consideraţíi privind montarea pe suprafaţă a componentelor Tehnologia de montare a componentelor pe suprafaţă (SMA sau SMT) este o tehnologie în plină ascensiune şi câteva date statistice şi de prognoză estimează că: - componentele specifice acestei tehnologii (SMD) depăşesc în prezent peste 50% din totalul componentelor; - în realizarea plăcilor de cablaj imprimat (PCI) se pot obţine reduceri de suprafaţă de peste 70%; costurile de obţinere a PCI echipate scad la jumătate, iar cheltuielele de fabricaţie se reduc cu până la 35%; - tehnologia automată SMA ajunge în prezent la un nivel al erorilor de poziționare de ppm faţă de ppm la plantarea automată a componentelor cu terminale sau ppm în cazul plantării manuale; - productivitatea utilajelor comercializate pentru SMA ajunge la SMD/oră (1994), ritmurile de fabricaţie fiind fără precedent în industria electronică de până acum. Realizarea cablajelor imprimate pentru SMA implică respectarea considerentelor generale de proiectare a PCI, dar şi apariţia unor reguli specifice acestei tehnologii, impuse de procesul tehnologic în sine. 243

88 Componentele electronice specifice tehnologiei de montare pe suprafaţă SMD li se impun următoarele cerinţe: - parametrii electrici trebuie să fie similari componentelor electronice cu terminale; - dimensiunile componentelor trebuie să fie mult reduse, dar să ofere posibilitatea manevrărilor de către utilajele automate; - componentele trebuie să reziste la şocuri termice. Datorită miniaturizării dimensiunilor componentelor se foloseşte o reţea modulară de 1,27 mm, iar lăţimea traseelor şi distanţa dintre ele poate fi micşorată până la 100 µm, prevăzându-se însă prin proiectare modalităţi de verificare, reparare şi întreţinere a subansamblului considerat. Procedeele de realizare a lipirii componentelor pe suport utilizate frecvent sunt lipirea prin retopire şi lipirea în val; ele determină la rândul lor reguli proprii de proiectare a traseelor de cablaj imprimat, impunând mărimea suprafeţei de conectare şi dispunerea componentelor. Lipirea în val este folosită atunci când se utilizează componente SMD alături de componente cu terminale; fluxul tehnologic de obţinere a unei plăci PCI echipate prin această metodă implică: - proiectarea corespunzătoare a cablajului imprimat, ţinând cont de faptul că pentru componentele cu terminale trebuie prevăzute găuri, iar componentele SMD (fiind concepute să suporte şocul termic la trecerea prin baia de aliaj de lipit) se vor plasa pe partea placată; - realizarea PCI astfel proiectată; - depunerea adezivului pentru fixarea componentelor SMD, poziţionarea componentelor şi uscarea adezivului cu radiaţii ultraviolete sau infraroşii (pentru a asigura fixarea componentei pe zona de contactare respectivă); - plantarea componentelor cu terminale; - lipirea componentelor cu terminale în instalaţia de lipire în val, cu componentele SMD trecând prin valul de aliaj de lipit. În concluzie, tehnologia montării pe suprafaţă a componentelor oferă câteva certe avantaje: - miniaturizarea componentelor şi proiectarea corespunzătoare a traseelor de cablaj imprimat determină reducerea drastică a dimensiunilor PCI; - datorită procesului de producţie complet automatizat, numărul defectelor rezultate în timpul procesului de producţie este foarte mic (numărul de defecte poate scădea cu până la 99%), comparativ cu plantarea automată a componentelor cu terminale; - această tehnologie asigură o calitate superioară produselor finite, o comportare mai bună a circuitelor la înaltă frecvenţă (elementele parazite practic dispar), rezistenţă mai mare la solicitări mecanice, deci o fiabilitate ridicată; - costul unui circuit electronic realizat prin această tehnologie se reduce cu până la 50% datorită vitezei mari de asamblare, reducerii consumului de materiale, folosirii cablajelor fără găuri sau cu număr mic de găuri. 244

89 3.A4 Tehnologii de realizare şi de montare a condensatoarelor Condensatoare cu dielectric ceramic, nepolarizate, construite în formă de disc, fig.a4.1. Electrozii metalici depuşi sub formă de film subţire pe dielectric. Terminalele lipite de electrozi. Valori mici ale capacităţii (maxim 100 nf), inductanţă proprie neglijabilă. Utilizare tipică: decuplarea frecvenţelor mari în tehnica radio, circuite digitale. Condensatoare cu dielectric din mică, nepolarizate, fig.a4.2. Dielectricul din mică, stabilitate bună cu temperatura, tensiune de străpungere mare, valori mici ale capacităţii (sub 10nF), inductanţă proprie neglijabilă. Sunt mai scumpe. Utilizare tipică: circuite rezonante la frecvenţe mari, filtre, oscilatoare, circuite în care se cere precizie foarte bună. Condensatoare cu polistiren (stiroflex), nepolarizate, fig.a4.3. Dielectric din polistiren, calitate foarte bună la frecvenţe joase. Nu este folosit la frecvenţe înalte, din cauză că este înfăşurat, deci are inductanţă proprie mare. Electrozi din aluminiu, terminale fixate mecanic, la înfăşurare. Utilizare tipică: filtre la frecvenţe joase, circuite de temporizare. Condensatoare cu polipropilenă metalizată, nepolarizate, fig.a4.4. Ieftini, stabilitate foarte bună a capacităţii (la frecvenţe sub 100 khz), toleranţa începe de la 1%, dependenţă slabă de temperatură. Inductanţă proprie mare (electrozi înfăşuraţi). Condensatoare cu poliester metalizat, nepolarizate, fig.a4.5. Ieftini, toleranţă 5-10 %, inductanţă proprie mare (electrozi înfăşuraţi). Tensiune nominală V, rezistenţa de izolaţie > 30 GΩ, tgδ < 0,01, la frecvenţa de 1 khz. Condensatoare multistrat, nepolarizate, fig.a4.6. Special concepute pentru inductanţă proprie neglijabilă şi raportul capacitate/volum mai mare decât precedentele. Dielectric ceramic sau plastic. Foarte bună stabilitate cu temperatura, lucrează la frecvenţe mari, sunt mai scumpe. Utilizare tipică: decuplarea frecvenţelor mari în circuite digitale. Condensatoare electrolitice cu aluminiu, polarizate, fig.a4.7 principiul de realizare şi structura, fig.a4.8 şi fig.a4.9 tipuri constructive. Dielectricul este un strat de oxid, creat pe suprafaţa aluminiului. Capacitate mare (0,47 μf μf). Toleranţă mare, realizare înfăşurată (nu au efect la frecvenţe mari). Prezintă fenomenul de erodare a dielectricului, dacă sunt folosite timp îndelungat la tensiuni prea mici (sau nu sunt folosite de loc). Depăşirea tensiunii maxime sau inversarea polarităţii pot duce la explozia condensatorului. Semnul în dreptul electrodului negativ. Utilizare tipică: filtrarea tensiunii redresate, cuplare între etaje (la frecvenţe audio). Condensatoare electrolitice cu electrozi din tantal, polarizate, fig.a4.10 principiul şi structura de realizare, fig.a4.11 tipuri constructive. Volum mai mic decât cele cu aluminiu, la aceeaşi capacitate. Inductanţă proprie mult mai mică, stabilitate mai bună a capacităţii, zgomot mai mic, mai scumpe. Marcat 245

90 electrodul pozitiv. Utilizare tipică: decuplare la frecvenţe mai mari, intrare în circuite audio, decuplare circuite digitale. Condensatoare polarizate double layer ( supercondensatoare ), fig.a4.12. Capacitate foarte mare (până la 1F), în volum mic. La încărcarea din surse de tensiune, cu rezistenţă internă mică, trebuie prevăzută limitarea curentului, deoarece regimul tranzitoriu durează mult, cu tensiune aproape zero pe condensator. Inductanţă proprie mare. Utilizare tipică: rezervă de energie pentru salvare de date sau alimentarea circuitelor de protecţie, când s-a întrerupt accidental sursa de alimentare. Condensatoare variabile cu ax, dielectric aer sau dielectric poliester, nepolarizate, fig.a4.13. Capacităţi 10 pf 500 pf. Gabarit mai mare la condensatorul cu aer. Utilizare tipică: acord pe post în tehnica radio (în circuite rezonante). Condensatoare variabile semireglabile ( trimer ), dielectric ceramic, nepolarizate, fig.a4.14. Capacităţi 3 pf 40 pf. Utilizare tipică: reglarea fină a benzii în tehnica radio, ajustarea frecvenţei în oscilatoare. Tehnologia de montare a condensatoarelor pe cablajul imprimat este similară cu cea a rezistoarelor. Fig.A4.1 Condensatoare ceramice Fig.A4.2 Condensatoare cu mică Fig.A4.3 Condensatoare stiroflex Fig.A4.4 Condensatoare cu polipropilenă metalizată Fig.A4.5 Condensatoare cu poliester 246

91 Fig.A4.6 Condensatoare multistrat Fig.A4.7 Condensatorul electrolitic cu aluminiu a) principiul de realizare; b) structura constructivă; c) detaliu Fig.A4.8 Tipuri constructive de condensatoare electrolitice cu aluminiu Fig.A4.9 Condesatoare electrolitice cu aluminiu 247

92 Fig.A4.10 Structura constructivă a condensatoarelor electrolitice cu tantal, cu electrolit solid, tip picătură Fig.A4.11 Condensatoare electrolitice cu tantal Fig.A4.12 Condensator double layer Fig.A4.13 Condensatoare var. cu ax Fig.A4.14 Condensatoare var. semireglabile 248